A tranzisztor atyja

Méltán: John Bardeen ugyanis a tudománytörténetben egyedülálló módon kétszer is átvehette a fizikai Nobel-díjat. Ráadásul olyan felfedezésekért, amelyek nemcsak mai életünket határozzák meg döntő mértékben, hanem a jövő iparának is az alapját jelentik. Emiatt is érdemes közelebbről megismerkedni e rendkívül érdekes tudóssal.

Az 1908. május 23.-án a Wisconsin-állambeli Madisonban született John Bardeenől elmondható, hogy eszményi gyermek volt: kiskorától kezdve eminens tanuló, aminek eredményeképpen tizenöt évesen megszerezte érettségi vizsgáját. Hogy ilyen „későn”, annak két oka volt: egyidejűleg két középiskolát látogatott, ráadásul elvesztette édesanyját, aki korábban tanárnőként dolgozott, majd ismert belsőépítészeti szalont vezetett. A Wisconsin Egyetemen 1928-ban, vagyis húszéves korában vehette át villamosmérnöki oklevelét. Itt ismerkedett meg azokkal a szilárdtest-fizikai problémákkal, amelyek egész későbbi életét befolyásolták. Nem kisebb személyiségek befolyásolták tudományos szemléletét, mind az egyetem vendégprofesszoraként működő Paul Dirac, Werner Heisenberg és Arnold Sommerfeld.

Otthagyta az olajipart

Tanulmányai befejeztével úgy tűnt, igazi amerikai karriert választ magának: belépett a világ egyik vezető ipari óriása, a Gulf Oil Company szolgálatába. Csakhogy európai tanárai olyannyira megfertőzték a tudomány iránti szeretettel, hogy hamarosan hátat fordított a nagy anyagi sikerrel kecsegtető pályafutásnak, így doktorandusz hallgatóként beiratkozott a princetoni egyetemre. Szerencséjére a fenti német professzorok magyar kollégája, Wigner Jenő lett a témavezetője, akinél 1936-ban doktorált.

A későbbiekben is tudományos tevékenységgel kívánt foglalkozni, emiatt a minnesotai egyetemen vállalt állást. Nem kis mértékben Wigner Jenő közbenjárására meghívták őt az amerikai atombomba előállítását célzó Manhattan-terv kutatói csoportjába, ő azonban tudományos elfoglaltságára hivatkozva elhárította a felkérést. Bízott benne, hogy szilárdtest-fizikai kísérletei fontosak lehetnek a mindennapi élet számára. Nem így a minnesotai egyetem vezetői: amikor 1945-ben fizetésemelést kért, olyan megalázó összeget ajánlottak számára, hogy nyilvánvalóvá vált, el kell mennie. Nagy szerencséjére ekkor a Bell Laboratóriumban már komoly kísérletek folytak az anyag atomi szerkezetével kapcsolatban, ráadásul ott egy komoly pártfogója is akadt: Walter Houser Brattain, aki előrehaladott kísérleteket folytatott a később tranzisztorként megismert új elektronikai elemmel. Ezúttal is a személyi kapcsolatok játszottak fontos szerepet: Brattain ugyancsak fizikus öccse a princetoni egyetemen tanult, itt ismerkedett meg John Bardeennel. Szóba került ugyan az idősebb Brattain tevékenysége, viszont Bardeen nem gondolt arra, hogy valaha is munkatársak lehetnek. Amikor hétévi kutatás után a minnesotai egyetem vezetői közölték vele, hogy nem látnak nagy jövőt a szilárdtest–fizikai kutatásokban, ezzel közvetve kiadták az útját, Bardeen eszébe jutott a régi barát neve. Mondani sem kell, hogy Brattain örömmel fogadta az erősítést. Így került 1945 októberében a Bell Laboratórium csapatába. Intenzív tevékenységük eredményeként 1947-ben elkészült az első tranzisztor, amely a későbbi évtizedekben szédületes karriert futott be. Megalkotásáért 1956-ban John Bardeen, William Shockley-val és Walter Brattainnal átvehette a fizikai Nobel-díjat. Ezzel le is zárulhatott volna tudományos pályafutása. A szerény, de nyughatatlan tudós viszont ebben az időben már egészen más kérdéssel foglalkozott, a szupravezetést kívánta megoldani.

Újabb témákat keresett

Már a huszadik század elején tudták a kutatók, hogy a hőmérséklet emelkedésével nő a villamos vezetők ellenállása. Ebből logikusan következett, hogy nagyon alacsony hőmérsékleten, az abszolút nulla fok közelében esetleg az ellenállás megszűnik, ilyenkor az áram akadálytalanul akár évmilliárdokig keringhet a vezetőgyűrűben. Kammerling Onnes holland fizikusnak 1911-ben sikerült a héliumot cseppfolyósítania. A néhány tized Kelvin-fokos folyadékba helyezett higanyról kiderült, hogy elveszíti villamos ellenállását, szupravezetővé válik. E jelentős felismeréséért két évvel később megkapta a fizikai Nobel-díjat. Ettől kezdve ugyan egyre behatóbb kutatásokat folytattak a szupravezetés területén, azt viszont nem sikerült megállapítani, mi az oka a villamos ellenállás megszűnésének. Az ötvenes évek kezdetétől épp ez volt John Bardeen kutatási területe. Ezúttal is szerencséje volt: ahogyan Wigner Jenőhöz, majd Walter Brattainhoz került, ugyanúgy a sors megajándékozta őt egy tehetséges tanítvánnyal, John Robert Schriefferrel, aki ugyanezen a területen működött. Vele jutott el a szupravezetés elméletének magyarázatáig.

A huszonnégy éves Schrieffer, Bardeen szellemi közreműködésével felállít egy hajmeresztő elméletet, amely szerint a kristályrács rezgése az abszolút nulla fok közelében megszűnik, ilyenkor a villamos áramot szállító elektronok akadálytalanul közlekedhetnek. Vele egyidejűleg a New York-i Columbia Egyetem huszonhárom éves doktorandusz hallgatója közli dolgozatát, amely szerint a szupravezetés fő okozója, hogy az elektronok párokba rendeződve alakítják ki a villamos áramot. Ez teljesen ellentmond a hagyományos fizikai elméletnek: az azonos töltésű részecskék – tehát az elektronok is – iszonyatos erővel taszítják egymást, teljes képtelenség, hogy egymás társaságában békésen közlekedjenek. Bardeen viszont felismeri e merész feltételezésben rejlő lehetőségeket: meghívja magához a fiatal tudóst. A három kutató – Bardeen, Cooper és Schrieffer – együtt?működésének eredménye a szupravezetés elméletének kidolgozása, amelyet nevük kezdőbetűiből hamarosan BCS elméletként ismer meg a világ. A kezdeti felháborodást követően kiderül: valóban igaz, hogy a makroszkopikus jelenségként ismert és kezelt szupravezetésnek igenis kvantummechanikai magyarázata van. Olyannyira, hogy a hatvanas évek folyamán egyre sürgetőbbé válik, hogy az elmélet kidolgozóinak kijár a fizikai Nobel-díj. Csakhogy van egy bökkenő: a múlt század elején a Nobel-díj bizottság hozott egy olyan határozatot, amely szerint egy tudományterületen csak egyszer osztható ki ugyanannak a tudósnak a kitüntetés. Mivel Bardeenék esetében egyértelmű volt, hogy ez a kegyes csalás nem alkalmazható, a két fiatal, Schrieffer és Cooper egyre reményvesztettebben nézte, hogy mások halásszák el előlük a legjelentősebb tudományos elismerést. Csakhogy, mint az ókori görög drámákban, az égiek ezúttal is segítettek: a deus ex machina egy huszonegy éves walesi fizikus személyében jelent meg: Brian Josephson, a cambridge-i egyetem diákja 1961-ben egy laboratóriumi kísérletben megállapította, hogy két szupravezető közé helyezett vékony szigetelő rétegben elektromágneses rezgés jöhet létre feszültségkülönbség határa. Aminek persze kvantumelméleti magyarázatát is megadta. Ez sokkolta a tudományos világot: kiderült, hogy a BCS elmélet helyes, ráadásul egy újabb, Nobel-díjra érett elmélet látott napvilágot. A bajt az okozta, hogy egy másik alapelv értelmében, amennyiben egy felfedezés bizonyíthatóan egy korábbi elméletre épül, addig a megalkotója nem kaphatja meg a Nobel-díjat, míg az előzőek nem kapták meg. Mivel egyre inkább fenyegetett az a lehetőség, hogy egy sor tudós csak amiatt kerül várólistára, mivel egy korábbi jó szándékú, ámbár értelmetlen döntés ezt akadályozza, egyre nagyobb nyomás nehezedett a Nobel-díj bizottságra, hogy ezt a kérdést megoldják. Tíz évet kellett várni a tilalom feloldására. Ennek eredményeképpen 1972-ben John Bardeen, Leon Cooper és John Schrieffer átvehette a kitüntetést.

Szerény maradt

John Bardeen nagyszerű tanárához, Wigner Jenőhöz hasonlóan rendkívül szerény személyiség volt. Olyannyira, hogy az illinoisi egyetem diákjai – ahol összesen negyven éven át tanított – elsősorban azt tartották róla számon, hogy milyen nagyszerűen főz. Sokan közülük még tudományos eredményeiről és Nobel-díjairól sem tudtak. Bár ez a tény nem e nagyszerű tudóst minősíti. Emlékére az illinoisi egyetem mérnöki negyedét róla nevezték el, de az előzmények ismeretében a mai diákok közül is sokan bizonyára politikusnak vagy sportsztárnak hiszik a névadót.

A fizikatörténet egyik legnagyobb egyénisége, a nagyszerű tudós hosszú, eredményes pályafutását követően nyolcvanhárom évesen, 1991. január 30.-án szívelégtelenségben hunyt el.

Kevesen mondhatják el magukról, hogy döntő mértékben befolyásolták civilizációnk életét. Bardeen tevékenységéről ez ma bizton állítható, hiszen korunk iparának egynegyede a kvantummechanika, elsősorban a tranzisztortechnika eredményeire épül. Felismerései nélkül aligha ismernénk az űrtechnikát, a modern tévét és rádiót, a DVD és CD lejátszót, a mobiltelefont és ezernyi más elektronikai készüléket.