John Bardeen

John Bardeen (23 de maio de 1908 - 30 de janeiro de 1991) foi um físico e engenheiro americano. Ele é a única pessoa a receber o Prêmio Nobel de Física duas vezes: primeiro em 1956 com William Shockley e Walter Brattain pela invenção do transistor; e novamente em 1972 com Leon N. Cooper e John Robert Schrieffer para uma teoria fundamental da supercondutividade convencional conhecida como teoria BCS.

O transistor revolucionou a indústria eletrônica, tornando possível o desenvolvimento de quase todos os dispositivos eletrônicos modernos, de telefones a computadores, inaugurando a Era da Informação. Os desenvolvimentos de Bardeen em supercondutividade - pelo qual ele recebeu seu segundo Prêmio Nobel - são usados em espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), ressonância magnética médica (MRI) e circuitos quânticos supercondutores.

Nascido e criado em Wisconsin, Bardeen recebeu um Ph.D. em física pela Universidade de Princeton. Depois de servir na Segunda Guerra Mundial, ele foi pesquisador no Bell Labs e professor na Universidade de Illinois. Em 1990, Bardeen apareceu na lista da revista Life dos "100 americanos mais influentes do século"

Educação e início da vida

Bardeen nasceu em Madison, Wisconsin, em 23 de maio de 1908. Ele era filho de Charles Bardeen, o primeiro reitor da Escola de Medicina da Universidade de Wisconsin.

Bardeen estudou na University of Wisconsin High School em Madison. Ele se formou na escola em 1923 aos 15 anos. Ele poderia ter se formado vários anos antes, mas isso foi adiado porque ele fez cursos em outra escola e por causa da morte de sua mãe. Bardeen ingressou na Universidade de Wisconsin em 1923. Enquanto estava na faculdade, ingressou na fraternidade Zeta Psi. As taxas de adesão necessárias ele levantou em parte jogando bilhar. Bardeen foi iniciado como membro da sociedade de honra de engenharia Tau Beta Pi. Não querendo ser um acadêmico como seu pai, Bardeen escolheu engenharia. Ele também sentiu que a engenharia tinha boas perspectivas de emprego.

Bardeen recebeu seu diploma de bacharel em engenharia elétrica em 1928 pela Universidade de Wisconsin. Apesar de tirar um ano de folga para trabalhar em Chicago, ele se formou em 1928. Fazendo todos os cursos de pós-graduação em física e matemática que o interessaram, Bardeen se formou em cinco anos, em vez dos quatro habituais. Isso lhe deu tempo para concluir sua tese de mestrado, supervisionada por Leo J. Peters. Ele recebeu seu mestrado em engenharia elétrica em 1929 de Wisconsin.

Bardeen continuou seus estudos permanecendo em Wisconsin, mas acabou trabalhando para o Gulf Research Laboratories, o braço de pesquisa da Gulf Oil Corporation com sede em Pittsburgh. De 1930 a 1933, Bardeen trabalhou lá no desenvolvimento de métodos para a interpretação de levantamentos magnéticos e gravitacionais. Trabalhou como geofísico. Depois que o trabalho não conseguiu manter seu interesse, ele se inscreveu e foi aceito no programa de pós-graduação em matemática da Universidade de Princeton.

Como estudante de pós-graduação, Bardeen estudou matemática e física. Sob o comando do físico Eugene Wigner, ele escreveu sua tese sobre um problema na física do estado sólido. Antes de concluir sua tese, foi oferecido a ele o cargo de Junior Fellow da Society of Fellows da Universidade de Harvard em 1935. Ele passou os três anos seguintes lá, de 1935 a 1938, trabalhando com os futuros ganhadores do Nobel de física John Hasbrouck van Vleck e Percy Williams Bridgman em problemas de coesão e condução elétrica em metais, e também fez alguns trabalhos sobre densidade de nível de núcleos. Ele recebeu seu Ph.D. em física matemática de Princeton em 1936.

Carreira e pesquisa

Serviço da Segunda Guerra Mundial

De 1941 a 1944, Bardeen liderou o grupo que trabalhava em minas magnéticas e torpedos e contramedidas de minas e torpedos no Naval Ordnance Laboratory. Nesse período, sua esposa Jane deu à luz um filho (Bill, nascido em 1941) e uma filha (Betsy, nascida em 1944).

Bell Labs

John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain em Bell Labs, 1948

Em outubro de 1945, Bardeen começou a trabalhar nos Laboratórios Bell como membro de um grupo de física do estado sólido liderado por William Shockley e o químico Stanley Morgan. Outras pessoas que trabalhavam no grupo eram Walter Brattain, o físico Gerald Pearson, o químico Robert Gibney, o especialista em eletrônica Hilbert Moore e vários técnicos. Ele se mudou com sua família para Summit, New Jersey.

A tarefa do grupo era buscar uma alternativa de estado sólido para os frágeis amplificadores de tubo de vácuo de vidro. Suas primeiras tentativas foram baseadas nas ideias de Shockley sobre o uso de um campo elétrico externo em um semicondutor para afetar sua condutividade. Esses experimentos falharam misteriosamente todas as vezes em todos os tipos de configurações e materiais. O grupo ficou parado até que Bardeen sugeriu uma teoria que invocava estados de superfície que impediam o campo de penetrar no semicondutor. O grupo mudou seu foco para estudar esses estados de superfície, reunindo-se quase diariamente para discutir o trabalho. O entrosamento do grupo foi excelente e as ideias foram trocadas livremente. No inverno de 1946, eles tiveram resultados suficientes para que Bardeen submetesse um artigo sobre os estados da superfície à Physical Review. Brattain iniciou experimentos para estudar os estados da superfície por meio de observações feitas enquanto projetava uma luz brilhante na superfície do semicondutor. Isso levou a vários outros artigos (um deles em coautoria com Shockley), que estimavam que a densidade dos estados da superfície era mais do que suficiente para explicar seus experimentos fracassados. O ritmo do trabalho aumentou significativamente quando começaram a cercar os pontos de contato entre o semicondutor e os fios condutores com eletrólitos. Moore construiu um circuito que lhes permitia variar facilmente a frequência do sinal de entrada e sugeriu que usassem borato de glicol (gu), uma substância química viscosa que não evaporava. Finalmente, eles começaram a obter alguma evidência de amplificação de potência quando Pearson, seguindo uma sugestão de Shockley, colocou uma voltagem em uma gota de gu colocada através de uma junção p-n.

Invenção do transistor

Uma réplica estilizada do primeiro transistor inventado no Bell Labs em 23 de dezembro de 1947

Em 23 de dezembro de 1947, Bardeen e Brattain estavam trabalhando sem Shockley quando conseguiram criar um transistor de ponto de contato que alcançava a amplificação. No mês seguinte, a Bell Labs' advogados de patentes começaram a trabalhar nos pedidos de patentes.

Bell Labs' os advogados logo descobriram que o princípio do efeito de campo de Shockley havia sido antecipado e patenteado em 1930 por Julius Lilienfeld, que registrou sua patente do tipo MESFET no Canadá em 22 de outubro de 1925.

Shockley assumiu publicamente a maior parte do crédito pela invenção do transistor; isso levou a uma deterioração do relacionamento de Bardeen com ele. A administração da Bell Labs, no entanto, apresentou consistentemente todos os três inventores como uma equipe. Shockley eventualmente enfureceu e alienou Bardeen e Brattain, essencialmente bloqueando os dois de trabalhar no transistor de junção. Bardeen começou a buscar uma teoria para a supercondutividade e deixou a Bell Labs em 1951. Brattain recusou-se a trabalhar mais com Shockley e foi designado para outro grupo. Nem Bardeen nem Brattain tiveram muito a ver com o desenvolvimento do transistor além do primeiro ano após sua invenção.

O "transistor" (uma junção de "transcondutância" e "resistor") tinha 1/50 do tamanho dos tubos de vácuo que substituiu em televisores e rádios, usava muito menos energia, era muito mais confiável e permitiu que os dispositivos elétricos se tornassem mais compactos.

Universidade de Illinois em Urbana–Champaign

Uma placa comemorativa lembrando John Bardeen e a teoria da supercondutividade, na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign

Em 1951, Bardeen procurava um novo emprego. Fred Seitz, um amigo de Bardeen, convenceu a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign a fazer a Bardeen uma oferta de $ 10.000 por ano. Bardeen aceitou a oferta e deixou a Bell Labs, ingressando nas faculdades de engenharia e física em Illinois em 1951, onde foi professor de engenharia elétrica e física.

Em Illinois, ele estabeleceu dois grandes programas de pesquisa, um no Departamento de Engenharia Elétrica e outro no Departamento de Física. O programa de pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica tratou de aspectos experimentais e teóricos de semicondutores, e o programa de pesquisa do Departamento de Física tratou de aspectos teóricos de sistemas quânticos macroscópicos, particularmente supercondutividade e líquidos quânticos.

Ele foi um professor ativo em Illinois de 1951 a 1975 e depois se tornou professor emérito. Em sua vida posterior, Bardeen permaneceu ativo na pesquisa acadêmica, período durante o qual se concentrou na compreensão do fluxo de elétrons em ondas de densidade de carga (CDWs) através de compostos de cadeia linear metálica. Suas propostas de que o transporte de elétrons CDW é um fenômeno quântico coletivo (ver fenômenos quânticos macroscópicos) foram inicialmente recebidos com ceticismo. No entanto, experimentos relatados em 2012 mostram oscilações na corrente CDW versus fluxo magnético através de anéis de trissulfeto de tântalo, semelhante ao comportamento de dispositivos supercondutores de interferência quântica (ver SQUID e efeito Aharonov-Bohm), dando credibilidade à ideia de que o transporte coletivo de elétrons CDW é fundamentalmente natureza quântica. (Veja mecânica quântica.) Bardeen continuou suas pesquisas durante a década de 1980 e publicou artigos em Physical Review Letters e Physics Today menos de um ano antes de morrer.

Uma coleção de documentos pessoais de Bardeen é mantida pelos Arquivos da Universidade de Illinois.

Prêmio Nobel de Física em 1956

Em 1956, John Bardeen dividiu o Prêmio Nobel de Física com William Shockley do Semiconductor Laboratory of Beckman Instruments e Walter Brattain do Bell Telephone Laboratories "por suas pesquisas sobre semicondutores e sua descoberta do efeito do transistor".

Na cerimônia do Prêmio Nobel em Estocolmo, Brattain e Shockley receberam seus prêmios naquela noite do rei Gustaf VI Adolf. Bardeen trouxe apenas um de seus três filhos para a cerimônia do Prêmio Nobel. O rei Gustav repreendeu Bardeen por causa disso, e Bardeen garantiu ao rei que na próxima vez ele traria todos os seus filhos para a cerimônia. Ele manteve sua promessa.

Teoria BCS

Em 1957, Bardeen, em colaboração com Leon Cooper e seu aluno de doutorado John Robert Schrieffer, propôs a teoria padrão da supercondutividade conhecida como teoria BCS (nomeada por suas iniciais).

Prêmio Nobel de Física em 1972

Em 1972, Bardeen dividiu o Prêmio Nobel de Física com Leon N Cooper, da Brown University, e John Robert Schrieffer, da University of Pennsylvania "por sua teoria da supercondutividade desenvolvida em conjunto, geralmente chamada de teoria BCS" . Este foi o segundo Prêmio Nobel de Física de Bardeen. Ele se tornou a primeira pessoa a ganhar dois prêmios Nobel na mesma área. Apenas quatro outros já receberam mais de um Prêmio Nobel.

Bardeen levou seus três filhos para a cerimônia do Prêmio Nobel em Estocolmo. Bardeen deu grande parte do dinheiro do Prêmio Nobel para financiar as Palestras Fritz London Memorial na Duke University.

Ele é o único laureado duplo em física e um dos três laureados duplos do mesmo prêmio; os outros são Frederick Sanger, que ganhou os prêmios de química de 1958 e 1980, e Karl Barry Sharpless, que ganhou os prêmios de química de 2001 e 2022.

Outros prêmios

Além de ter recebido o prêmio Nobel duas vezes, Bardeen tem vários outros prêmios, incluindo:

• A Medalha Stuart Ballantine do Instituto Franklin de 1952.
• 1954 elegeu um membro da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos
• 1958 eleito para a Sociedade Filosófica Americana
• 1959 elegeu um membro da Academia Americana de Artes e Ciências
• Medalha Nacional de Ciência de 1965.
• 1971 IEEE Medalha de Honra para "suas profundas contribuições para a compreensão da condutividade dos sólidos, para a invenção do transistor, e para a teoria microscópica da supercondutividade".
• Eleito um membro estrangeiro da Royal Society (ForMemRS) em 1973.
• Medalha Franklin 1975.
• Em 10 de janeiro de 1977, John Bardeen foi apresentado com a Medalha Presidencial da Liberdade pelo presidente Gerald Ford. Ele foi representado na cerimônia por seu filho, William Bardeen.
• Bardeen foi um dos 11 destinatários do Prêmio do Terceiro Século do presidente George H. W. Bush em 1990 por "contribuições excepcionais para a sociedade americana" e recebeu uma medalha de ouro da Academia Soviética de Ciências em 1988.
• 1987 Golden Plate Award da Academia Americana de Realização

Xerox

Bardeen também foi um importante consultor da Xerox Corporation. Embora quieto por natureza, ele deu o passo incomum de instar os executivos da Xerox a manter seu centro de pesquisa na Califórnia, o Xerox PARC, funcionando quando a empresa-mãe suspeitava que seu centro de pesquisa seria pouco.

Vida pessoal

Bardeen se casou com Jane Maxwell em 18 de julho de 1938. Enquanto estava em Princeton, ele conheceu Jane durante uma visita a seus velhos amigos em Pittsburgh.

Bardeen era um cientista com uma personalidade muito modesta. Embora tenha servido como professor por quase 40 anos na Universidade de Illinois, ele era mais lembrado pelos vizinhos por oferecer churrascos onde preparava comida para seus amigos, muitos dos quais não sabiam de suas realizações na universidade. Ele sempre perguntava aos convidados se gostavam do pão de hambúrguer torrado (já que ele gostava do pão assim). Ele gostava de jogar golfe e fazer piqueniques com a família. Lillian Hoddeson disse que porque ele "diferia radicalmente do estereótipo popular de 'gênio' e não estava interessado em aparecer além do comum, o público e a mídia frequentemente o ignoravam."

Quando Bardeen foi questionado sobre suas crenças durante uma entrevista em 1988, ele respondeu: "Eu não sou uma pessoa religiosa e, portanto, não penso muito sobre isso". No entanto, ele também disse: "sinto que a ciência não pode fornecer uma resposta para as questões fundamentais sobre o significado e propósito da vida." Bardeen acreditava em um código de valores morais e comportamento. Os filhos de John Bardeen foram levados à igreja por sua esposa, que ensinava na escola dominical e era anciã da igreja. Apesar disso, ele e sua esposa deixaram claro que não acreditavam na vida após a morte e em outras ideias religiosas. Ele era o pai de James M. Bardeen.

Morte

Bardeen morreu de doença cardíaca aos 82 anos no Brigham and Women's Hospital em Boston, Massachusetts, em 30 de janeiro de 1991. Embora morasse em Champaign-Urbana, ele veio a Boston para uma consulta médica. Bardeen e sua esposa Jane (1907–1997) estão enterrados no Forest Hill Cemetery, Madison, Wisconsin. Eles deixaram três filhos, James, William e Elizabeth Bardeen Greytak, e seis netos.

Legado

Em homenagem a Bardeen, o quadrilátero de engenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign é chamado de Bardeen Quad.

Também em homenagem a Bardeen, a Sony Corporation doou uma cadeira de professor de US$ 3 milhões para John Bardeen na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, a partir de 1990. A Sony Corporation deve muito de seu sucesso à comercialização de transistores de Bardeen em dispositivos portáteis TVs e rádios, e trabalhou com pesquisadores de Illinois. A partir de 2022, o professor John Bardeen é Yurii Vlasov.

Na época da morte de Bardeen, o então reitor da Universidade de Illinois, Morton Weir, disse: "É rara a pessoa cujo trabalho muda a vida de todos os americanos; John's fez."

Bardeen foi homenageado em um selo postal dos Estados Unidos em 6 de março de 2008 como parte do prêmio "American Scientists" série desenhada pelo artista Victor Stabin. O selo de $ 0,41 foi revelado em uma cerimônia na Universidade de Illinois. Sua citação diz: “O físico teórico John Bardeen (1908–1991) dividiu o Prêmio Nobel de Física duas vezes – em 1956, como co-inventor do transistor e em 1972, pela explicação da supercondutividade. O transistor abriu caminho para toda a eletrônica moderna, de computadores a microchips. Diversas aplicações de supercondutividade incluem sensores infravermelhos e sistemas de imagens médicas." Os outros cientistas do "American Scientists" folha incluem o bioquímico Gerty Cori, o químico Linus Pauling e o astrônomo Edwin Hubble.