著名的諾貝爾獎(jiǎng)從1901年第一次頒獎(jiǎng)至今，已近120年的歷史。（John Bardeen，1908 – 1991），是一位美國(guó)物理學(xué)家。

兩獲諾獎(jiǎng)

巴丁的父親是一名教授，但是年輕的巴丁并不想像父親一樣成為學(xué)者，于是他大學(xué)時(shí)就讀于電機(jī)系而非物理系。巴丁畢業(yè)時(shí)，正值1930年美國(guó)經(jīng)濟(jì)大蕭條時(shí)代，他向AT&T（American Telephone & Telegraph，美國(guó)電話電報(bào)公司）發(fā)送的工作申請(qǐng)沒(méi)有通過(guò)，于是便接受了海灣石油公司的聘用，并在那里出色地工作了4年。

盡管他的初衷是偏向?qū)嵱?，但終歸還是因?yàn)閷?duì)物理和數(shù)學(xué)的濃厚興趣放棄了工資優(yōu)厚的工作，到普林斯頓大學(xué)攻讀物理博士學(xué)位。巴丁在普林斯頓師從著名的匈牙利裔理論物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家尤金·維格納（Eugene Wigner，1902-1995），滿足了自己的求知欲。

巴丁的兩項(xiàng)諾獎(jiǎng)成就，都不是物理概念意義上的重大革命，但卻引發(fā)了（或即將引發(fā)）對(duì)現(xiàn)代文明社會(huì)最重要的科學(xué)革命：晶體管的發(fā)明引發(fā)了計(jì)算機(jī)革命及信息革命，而革命性的超導(dǎo)研究如今仍然是物理界的熱門(mén)課題。

1956年尋常的一天。早上7點(diǎn)，巴丁正在給家人做煎雞蛋。女兒貝特茜和兒子比爾突然沖進(jìn)廚房，大喊“爸爸獲得了諾貝爾獎(jiǎng)！”原來(lái)他們剛聽(tīng)到新聞報(bào)道，巴丁和過(guò)去貝爾實(shí)驗(yàn)室的同事威廉·肖克利（William Shockley，1910-1989）、沃爾特·布拉頓（Walter Brattain，1902-1987）三人，共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。聽(tīng)到這一消息，巴丁手里的平底鍋“啪”地一聲掉到了地上，鍋里的東西撒了一地。

“我懷疑委員會(huì)中的很多人都不確信晶體管這項(xiàng)技術(shù)值得這個(gè)獎(jiǎng)，我自己也感到懷疑?！焙髞?lái)，在給朋友的信中，48歲的巴丁如此寫(xiě)道。

這次讓巴丁感覺(jué)“意料之外”的諾獎(jiǎng)，是9年前他們發(fā)明的世界上第一支晶體管。當(dāng)時(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的這三名研究人員，擔(dān)心他們的發(fā)現(xiàn)只是偶然成功，經(jīng)過(guò)一周時(shí)間的反復(fù)驗(yàn)證后才向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)并進(jìn)行了演示。然而，巴丁不久后便遭到肖克利的排擠，在1951年轉(zhuǎn)到了伊利諾伊大學(xué)香檳分校任教。

那時(shí)的巴丁正在緊張地研究他的BCS超導(dǎo)理論，差不多已經(jīng)到了最后沖刺的階段。這個(gè)理論最后讓他又贏得了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖25-2：巴丁的兩次諾貝爾物理獎(jiǎng)

巴丁的這兩次諾貝爾獎(jiǎng)，第一次主要是技術(shù)發(fā)明，第二次是基礎(chǔ)理論。作為一位物理學(xué)家，固然更看重自己的理論功夫。然而，如今看來(lái)，讓巴丁榮獲第一次諾獎(jiǎng)的那個(gè)小小的晶體管發(fā)明，對(duì)人類(lèi)文明社會(huì)的巨大貢獻(xiàn)，怎么夸贊都不過(guò)分。

發(fā)明晶體管

二戰(zhàn)勝利之后的美國(guó)，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展。戰(zhàn)爭(zhēng)中的許多研究成果，包括原子彈、微波、電子等技術(shù)的研發(fā)，都對(duì)工業(yè)及各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域有極大的正面影響。引導(dǎo)了美國(guó)開(kāi)展各種產(chǎn)業(yè)，形成一股強(qiáng)大的動(dòng)力，一直延續(xù)至今，幾十年未衰。

前幾篇文章中描述的二戰(zhàn)后幾次物理會(huì)議（謝爾特島會(huì)議、波科諾會(huì)議、紐約Oldstone會(huì)議），促成了量子場(chǎng)論（量子電動(dòng)力學(xué)）的建立和發(fā)展。與此同時(shí)，科學(xué)家們不僅關(guān)注理論，也重視其實(shí)用價(jià)值。甚至在戰(zhàn)爭(zhēng)尚未終止時(shí)，美國(guó)政府就加強(qiáng)了對(duì)半導(dǎo)體材料的研究。1945年夏天，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式制定了一個(gè)龐大的研究計(jì)劃：決定以固體物理為主要研究方向。那時(shí)候，半導(dǎo)體整流器已經(jīng)是成熟的裝置，人們希望能用半導(dǎo)體制造晶體管，再組成放大器，以開(kāi)拓電子技術(shù)的新領(lǐng)域。

1945年的十月，巴丁加入到貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利小組，參與研究開(kāi)發(fā)制造晶體管的項(xiàng)目。這個(gè)小組還有另外兩位美國(guó)物理學(xué)家：課題負(fù)責(zé)人威廉·肖克利和另一位同事沃爾特·布拉頓[1]。

這三人可謂珠聯(lián)璧合：肖克利是生于倫敦的美國(guó)人，MIT（麻省理工學(xué)院）畢業(yè)研究半導(dǎo)體的物理博士，當(dāng)時(shí)已經(jīng)在PN結(jié)研究及策劃制造晶體管領(lǐng)域奮斗數(shù)年，布拉頓是實(shí)驗(yàn)高手，而巴丁是理論天才。

對(duì)晶體管的課題，肖克利原來(lái)有些想法，但和布拉頓一起進(jìn)行的幾次實(shí)驗(yàn)都失敗了。擅長(zhǎng)理論計(jì)算的巴丁潛心研究了這個(gè)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)無(wú)法穿越半導(dǎo)體的原因可能是受到金屬片屏蔽。他進(jìn)而提出了固體的表面態(tài)和表面能級(jí)的概念。巴丁猜想半導(dǎo)體物質(zhì)的表面存在著一種機(jī)制，能激發(fā)出一種可防止自身被外場(chǎng)貫穿的特殊狀態(tài)。這些工作涉及到半導(dǎo)體、導(dǎo)線和電解質(zhì)之間的點(diǎn)接觸，于是小組將研究重點(diǎn)改為材料的表面狀態(tài)。到1946年冬，他們的研究工作向前邁進(jìn)了一大步，并且也產(chǎn)出了幾篇論文[2,3]。

經(jīng)過(guò)巴丁的再次計(jì)算，他們決定制造“點(diǎn)接觸晶體管”。在隨后的多次試驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)：鍺半導(dǎo)體上兩根金屬絲的接觸點(diǎn)靠得越近，就越有可能引起電流的放大。這需要在晶體表面安置兩個(gè)大約相距只有5×10-3厘米的觸點(diǎn)。

布拉頓有信心克服這最后一道難關(guān)，他找來(lái)一塊三角形的厚塑料版，從尖尖的頂角朝三角形的兩邊貼上了一片金箔，又小心仔細(xì)地用鋒利的刀片在頂角的金箔上劃了一道細(xì)痕，然后將三角塑料版用彈簧壓緊在半導(dǎo)體鍺的表面上。最后，將一分為二的金箔兩邊分別接上導(dǎo)線，作為發(fā)射極和集電極。加之金屬基底引出的基極，總共三條線，將它們分別接到了適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源和線路上。

圖25-3：點(diǎn)接觸晶體管

1947年12月16日，他們終于觀察到兩個(gè)觸點(diǎn)間的電壓增益為100倍的數(shù)量級(jí)，第一個(gè)晶體管就此誕生了！從圖25-3中可見(jiàn)，這個(gè)劃時(shí)代的發(fā)明——“三條腿的魔術(shù)師”原始而笨拙，顯得不是那么漂亮。

但很快地，巴丁、布拉頓與肖克利之間，發(fā)生了一些不愉快的糾葛。一個(gè)月之后，肖克利自己又發(fā)明了一種全新的、能穩(wěn)定工作的“P-N結(jié)型晶體管”?？傊?，晶體管的發(fā)明成為人類(lèi)微電子革命的先聲，也使得三人后來(lái)共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但在肖克利對(duì)兩人研究工作無(wú)理的限制和打壓下，三人分道揚(yáng)鑣：巴丁1951年接受了伊利諾伊大學(xué)香檳分校的教職，轉(zhuǎn)向他很早就想做的超導(dǎo)研究。布拉頓留守貝爾實(shí)驗(yàn)室，但轉(zhuǎn)到了另外的部門(mén)。再后來(lái)，肖克利自己到加州創(chuàng)建硅谷，招聘人才，在硅谷點(diǎn)燃了晶體管發(fā)明的人類(lèi)文明之火！

BCS超導(dǎo)理論

從1950年開(kāi)始，巴丁開(kāi)始考慮超導(dǎo)問(wèn)題，攀向另一個(gè)科學(xué)高峰。超導(dǎo)現(xiàn)象指的是一些導(dǎo)體的電阻在溫度下降接近絕對(duì)零度時(shí)會(huì)突然消失成為沒(méi)有電阻的超導(dǎo)體的奇特現(xiàn)象。

眾所周知，材料在導(dǎo)電過(guò)程中會(huì)消耗能量，表現(xiàn)為材料的電阻。電阻越大，消耗能量越多。一般而言，電阻隨著環(huán)境溫度的降低而減小。1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·昂內(nèi)斯（Heike Onnes，1853-1926）發(fā)現(xiàn)水銀樣品以及其他的一些金屬，在低溫（4K左右）時(shí)電阻消失等于0，這被稱(chēng)為超導(dǎo)現(xiàn)象。昂內(nèi)斯因此獲得了1913 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖25-4：超導(dǎo)基本特性

超導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：醫(yī)院里的核磁共振成像、加速器、磁懸浮以及核聚變研究等。低溫超導(dǎo)的第一個(gè)理論是1935年弗里茨·倫敦（Fritz London，1900-1954）和海因茨·倫敦（Heinz London，1907-1970）兩兄弟提出的倫敦方程。后來(lái)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道（Lev Davidovich Landau，1908-1968）和金茨堡（Vitaly Lazarevich Ginzburg，1916-2009），以朗道的二級(jí)相變（Second order phase transition）和對(duì)稱(chēng)破缺理論（Broken-symmetry）為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了著名的金茨堡-朗道方程（Ginzburg–Landau theory），成功地計(jì)算出了超導(dǎo)體的許多特性[4]。朗道因車(chē)禍1962年在病房中被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；之后，金茨堡于87歲高齡被授予2003年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

巴丁的研究偏向超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀物理機(jī)制。到了伊利諾伊大學(xué)香檳分校幾年后，巴丁和利昂·庫(kù)珀（Leon Cooper，1930-）、約翰·施里弗（John Robert Schrieffer，1931-2019）三人提出了以他們名字第一個(gè)字母命名的BCS理論[5]，解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)理，之后這個(gè)理論被稱(chēng)為是超導(dǎo)現(xiàn)象的常規(guī)解釋。BCS理論認(rèn)為：靠晶格振動(dòng)，即聲子的耦合，使自旋和動(dòng)量都相反的兩個(gè)電子組成動(dòng)量為零、總自旋為零的庫(kù)珀對(duì)。電子是費(fèi)米子，而兩個(gè)電子組成的庫(kù)珀對(duì)則可以是玻色子，低溫下能形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）而集聚成超導(dǎo)大電流。學(xué)界認(rèn)為，BSC理論基本解釋了低溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象，三位學(xué)者也因此而獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

電子間的直接相互作用是相互排斥的庫(kù)侖力。如果僅僅存在庫(kù)侖力直接作用的話，電子不能形成配對(duì)。但BCS理論認(rèn)為，電子間還存在以晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接相互作用。電子聲子間的這種相互作用在滿足一定條件時(shí)，可以是相互吸引的，正是這種吸引作用導(dǎo)致了“庫(kù)珀對(duì)”的產(chǎn)生。在很低的溫度下，庫(kù)珀對(duì)的結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量。這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒(méi)有了電阻，形成所謂的“超導(dǎo)”。

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