JOHN BARDEEN (JÔN BA ĐIN 1908 - ?)
John Bardeen là người Hoa Kỳ, sinh năm 1908, đã cùng U.W.Brattain (U.Brattơn) lần đầu tiên chế tạo ra transistor (tranxito) loại tiếp điểm (năm 1948) trên chất bán dẫn.
Chúng ta biết rằng từ đầu thế kỷ này, người ta đã sử dụng chùm các hạt điện tử để xử lý thông tin, bằng các đèn điện tử chân không. Đó là các bóng đèn bằng thủy tinh được hút chân không ở độ chân không gần như tuyệt đối (áp suất dư còn lại chỉ bằng 1 phần tỷ của áp suất khí quyển), trong đó, có các điện cực bằng kim loại có thể nối điện ra bên ngoài. Thông dụng là đèn ba cực, còn lại là triết (triode), có các cực: a - cực phát (ca tốt) sẽ phát ra các chùm điện tử; b - cực lưới để điều khiển chùm điện tử c - cực góp (còn gọi là cực dương anốt) thu dòng điện (xem Hình vẽ 1).
Nhờ các triốt người ta có thể xử lý các thông tin bằng cách khuếch đại chúng, biến đổi chúng và phát ra những thông tin mới ở hai dạng khác nhau: 1 - dạng tương tự (analogue), các thông tin biểu hiện bằng các dòng điện biến thiên liên tục; 2 - dạng số (digital), các thông tin biểu hiện bằng các dòng điện xung vuông.
Nhờ các bóng đèn điện tử chân không này vào đầu những năm bốn mươi của thế kỷ, đã chế tạo ra máy tính điện tử đầu tiên. Song, bóng đèn điện tử loại này thường dễ vỡ, cồng kềnh, tiêu thụ công suất lớn, làm việc kém ổn định v.v... nên phải tìm giải pháp khác.
Giải pháp mới hướng về các tinh thể bán dẫn. Các chất bán dẫn có đặc điểm là ở điều kiện thông thường, mật độ các phần tử tải dòng điện thấp hơn ở trong kim loại hàng tỷ lần, nên có khả năng điều khiển được chúng. Trong chất bán dẫn, bao gồm giécmani, silíc và một số hợp chất khác, các phần tử tải dòng điện có thể là các điện tử hoặc lỗ trống (một dạng đặc biệt của cơ chế dẫn điện). Nếu phần tử tải chủ yếu là điện tử thì gọi là bán dẫn loại n (âm tính), nếu chủ yếu là lỗ trống thì gọi là bán dẫn p (dương tính).
Transistor loại tiếp điểm có tính năng tương tự như triết trong xử lý thông tin có dạng như trên hình vẽ 2. Nó gồm một mảnh bán dẫn có mặt trên được xử lý sạch, trên đó có hai mũi nhọn kim loại tỳ vào, mặt dưới là tấm bán dẫn được mạ kim loại. Một mũi kim loại làm cực phát ênitơ (enitter), mũi kim loại kia làm cực góp collector, còn lớp kim loại ở đáy gọi là cực gốc base. Dòng điện tải từ tiếp điểm cực phát sang, tiếp điểm cực góp được điều khiển bằng điện thế tác động lên cực gốc. Do đó transistor có thể hoạt động tương tự như triết trong xử lý thông tin. Loại transistor tiếp điếm này, như trên đã nói, được John Bardeen và W.Brattin sáng chế năm 1948 (Hình vẽ 2).
Transistor tiếp điểm trên đây, mặc dầu dựa trên cơ sở lý thuyết về chất bán dẫn và các là kết quả nghiên cứu thực nghiệm rất sâu sắc, tiêu thụ công suất thấp, gọn nhỏ còn mắc những nhược điểm công nghệ nghiêm trọng, như là khó chế tạo hàng loạt ổn định, nhất là việc điều chỉnh các tiếp điểm giữa mũi nhọn kim loại và chất bán dẫn v.v... Bởi vậy đến năm 1950 William Shockley (U.Sốcclei) cũng người Hoa Kỳ, đã chế tạo ra transistor lớp chuyển. Lớp chuyển là chỉ lớp tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn: một thuộc loại n, một thuộc loại p. Sơ đồ transistor lớp chuyển cho trên (Hình vẽ 3).
Transistor lớp chuyển có nhiều ưu điểm công nghệ quan trọng. Ngày nay, công nghệ transistor lớp chuyển đã phát triển lên thành công nghệ vi điện tử, cơ sở công nghệ của xã hội thông tin. Đỉnh cao hiện nay của công nghệ vi điện tử là đã chế tạo được các mạch tích hợp (IC) có độ tích hợp siêu cao (Ultralarge), trên 1 diện tích khoảng 1cm2 có thể tích hợp được vài tỷ transistor lớp chuyển.
Vì những phát minh hết sức quan trọng chế tạo ra transistor, cả ba nhà vật lý John Bardeen, W.Brattain và U. Shockley, đều là người Hoa Kỳ, làm việc ở phòng nghiên cứu hãng Bell, năm 1956 được tặng giải thưởng Nobel vật lý học.
J.Bardeen còn có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết quan trọng về hiện tượng siêu dẫn của một số chất được phát hiện lần đầu tiên, năm 1911, tại phòng thí nghiệm nhiệt độ thấp ở trường Đại học Leiden (Hà Lan) bởi Kammerling Onnes trên thuỷ ngân. Khi hạ nhiệt độ xuống gần 4K (-2690C) thì bỗng dưng thuỷ ngân mất điện trở, nghĩa là nó dẫn điện hoàn toàn không gây tổn hao như các kim loại trong trạng thái thông thường. Trạng thái dẫn điện không có điện trở gọi là trạng thái siêu dẫn, không chỉ phát hiện thấy ở trong thuỷ ngân mà còn trong nhiều kim loại và hợp kim khác, khi giảm nhiệt độ của chúng dưới một nhiệt độ tới hạn Ts nào đó (đặc trưng cho từng chất).
Trong suốt mấy thập kỷ sau khi được phát minh, hiện tượng siêu dẫn là một bí mật khoa học hấp dẫn hàng chục phòng thí nghiệm có các chương trình nghiên cứu tích cực, mạnh mẽ.
John Bardeen cùng cộng tác với L.Cooper và J.Sohrieffer lần đầu tiên đã xây dựng lý thuyết lượng tử giải thích hiện tượng siêu dẫn, sau đó thường gọi là lý thuyết BCS được công bố vào năm 1957. Theo lý thuyết này, cơ chế gây ra hiện tượng siêu dẫn như sau: Với một số kim loại hoặc hợp kim đặc biệt, khi nhiệt độ hạ thấp được nhiệt độ tới hạn Ts, các điện từ khi tương tác với dao động của mạng tinh thể có khả năng kết lại thành từng đôi (cặp điện tử L.Cooper). Vì năng lượng kết cặp của các điện tử đủ lớn nên khi dẫn điện khó có thể bị tán xạ bởi các tạp chất, sai hỏng của mạng,v.v... nên chúng dẫn điện hoàn toàn tự do, không có điện trở. Ngoài ra, còn giải thích tương đối hoàn chỉnh trạng thái siêu dẫn.
Lý thuyết BCS đánh dấu một bước phát triển mới của vật lý học, được coi là một thành công rất '''đẹp''. Vì vậy năm 1972, cả ba tác giả của lý thuyết BCS trong đó có John Bardeen được tặng giải thưởng Nobel về vật lý học...
Ngày nay, người ta đang tìm cách để ứng dụng rộng rãi chất siêu dẫn. Một trong cái khó khăn cơ bản của ứng dụng chất siêu dẫn là phải giữ chúng ở nhiệt độ rất thấp. Vì vậy, phải tìm ra các chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn Ts đủ cao, thường gọi chúng là ''chất siêu dẫn nhiệt độ cao''. Những thành công gần đây rất có nhiều triển vọng. Đã tìm được nhiều loại hợp chất, cả một số gốm (có chứa ôxy, đồng, một số kim loại chuyển tiếp v.v...) có thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ cao với Ts xấp xỉ 1000K (có thông báo về một số hợp chất có tính siêu dẫn ở nhiệt độ bình thường như nhiệt phòng là 200C, nhưng không ổn định).
John Bardeen là nhà vật lý học duy nhất, cho đến nay, được hai lần nhận giải thưởng Nobel ở trong cùng một lĩnh vực là vật lý chất rắn.
GS.TS. VŨ ĐÌNH CỰ
