جدید ترین عناوین خبری امروز
Registering new users is currently not allowed.
جان باردین فیزیکدان
مردی که قادر به ابداع ترانزیستور شد و پدیده ابررسانایی را حل کرد، همواره به دور از شهرت زیست

جان باردین ، فیزیکدان بزرگی که (احتمالا ) درباره او هرگز نشنیده‌اید

وی ممکن است که برنده‌ی دو جایزه نوبل فیزیک در سال‌های ۱۹۵۶ و ۱۹۷۳ شده باشد. اما مردی که قادر به ابداع ترانزیستور شد و پدیده ابررسانایی را حل کرد، همواره به دور از شهرت زیست.

تنها یک شخص قادر به دریافت دو جایزه نوبل در فیزیک شده است اما مگر اینکه یک فیزیکدان یا یک فعال در حوزه‌ی فیزیک باشید تا او را بشناسید در غیر این صورت اسم جان باردین را نشنیده‌اید.

بر خلاف کلیشه‌های رایج ، او نه جنون خودپرستی داشت و نه یک نابغه زجر کشیده بود، بلکه او یک همسر و پدر دوست داشتنی و یک مرد مهربان با روح لطیف بود که بازی گلف با دوستانش در آخر هفته را دوست می‌داشت.

جان باردین

او اولین و مهمترین کشف خود را زمانی انجام داد که در آزمایشگاه بل کار می کرد ، شرکتی که بعد از جنگ جهانی دوم بازوی تحقیق و توسعه تلگراف و تلفن آمریکا بود. در آن زمان شرکت ای تی اند تی (AT &T) مشکل بزرگی پیش رو داشت و نیازمند تقویت کننده های بهتری بود.

زمانی که افراد تماس های راه دور را برقرار می کردند سیگنال های الکتریکی که صدا ها را انتقال می دادند اگر در طول مسیر تقویت نمی شدند، ضعیف و تبدیل به امواج ایستا می‌شدند.

لامپ‌های خلاء تنها تقویت‌کننده‌های در دسترس تا آن زمان بودند که اوایل ۱۹۰۰ ابداع شدند ، در واقع آن‌ها لامپ‌های تغییر یافته‌ای بودند که قادر به تقویت ، کاهش و حتی قطع  جریان‌های الکتریکی بودند.

این لامپ‌ها قادر به جذب امواج الکترو مغناطیسی ضعیف موجود در هوا و تقویت آن‌ها و تبدیل آن به صدا و تصویر بودند .

لامپ‌های خلاء اولین رادیوها و تلویزیون‌ها را بوجود آوردند. از طرف دیگر، آنها انرژی زیادی مصرف می‌کردند و زمانی را برای گرم شدن نیاز داشتند و حتی تمایل به گرم‌تر شدن هم داشتند. (در دوران کودکی به یاد دارم که مجذوب  لامپ‌های درخشانی که درون تلویزیون قرار داشت شده بودم و مکررا یکی از آنها می‌سوخت و تعمیرکار تلویزیون برای تعویض آن می‌آمد.)

مدیر آزمایشگاه بل ، فیزیکدانی به نام مروین کِلی ، احساس می‌کرد که نوع جدیدی از تقویت کننده‌ها می‌تواند توسط بلورهایی از موادی به نام نیمه هادی‌ها ساخته شود. در مورد نیمه هادی‌ها در آن زمان اطلاعات زیادی وجود نداشت اما آنها بسیار جذاب بودند .

نیمه هادی‌ها (مانند سیلیکون و ژرمانیوم ) الکتریسیته را از خود بهتر از جامدات (مثل شیشه و لاستیک) عبور می‌دهند اما نه به اندازه فلزات (مانند مس و طلا ).

ویژگی درونی نیمه هادی ها به نظر نوید دهنده بود ، شاید انعطاف پذیری الکتریکی آنها می‌توانست مفید واقع شود .

در یک نگاه استعاری ، توانایی مختص هر ماده در هدایت الکتریسیته میتواند با تصور اینکه الکترون های اطراف هسته مانند مردمی می مانند که در یک نمایش تئاتر در ردیف ها نشسته اند ، قابل فهم‌تر باشد.

با توجه به دلایلی که مکانیک کوانتومی ارائه می دهد ، الکترون‌ها  ابتدا ردیف‌هایی که به صحنه نمایش نزدیک تر است را  پر می کنند ، اگر همه صندلی‌ها پر شده باشد الکترون ها ردیف بعدی را پر می‌کنند و به هین ترتیب داستان ادامه دارد .

در صورتی که ردیفی پر شود ، الکترون‌های حاضر در آن ردیف سخت حرکت می‌کنند و تمایل به ماندن داردند ( درست مانند مردمی که برخاستن و حرکت از صندلی های کناری برای رفتن به ردیف دیگر در تئاتر شلوغ را سخت می دانند .) زمانیکه تمام ردیف ها پر شود ، ماده همانند یک نارسانا و عایق عمل می کند . الکتریسیته را به خوبی عبور نمی دهد چرا که فاقد الکترون‌های آزاد مورد نیاز برای حمل جریان است.

ترانزیستور، نیمه‌هادی

فلز ها، دارای تعداد زیادی از الکترون های آزاد هستند که در ردیف های بیرونی که تقریبا خالی و به دور از صحنه نمایش است  در حال چرخشند ، این الکترون‌های مستقر شده در انتهای تئاتر براحتی از جای خود بلند می شوند و صندلی خود را تغییر می دهند و یا حتی سرگردان هستند .( شاید تمایل دارند که تئاتر (اتم) دیگری را بررسی کنند.) این رخداد به فلزها اجازه می‌دهد تا به خوبی الکتریسیته را از خود عبور بدهند.

نیمه هادی‌ها بین این دو حالت افراطی قرار دارند. آن‌ها بیشتر از اتم هایی ساخته شده‌اند که توانایی هدایت الکترون را ندارند ، اما دارای تعداد کمی از اتم هایی هستند که قادر به هدایت الکتریسیته اند . در نیجه ، یک نیمه هادی قادر است هر دو مسیر را طی کند . شما قادر هستید یک نیمه هادی را طوری تغییر وضعیت دهید که مانند یک عایق رفتار کند و یا با تابش نور بر روی آن ، تغییر دما و یا تزریق بار اضافی آن را به یک رسانا تبدیل کنید .

این انعطاف پذیری نیمه هادی ها را بسیار مفید واقع کرده است . اما زمانیکه باردین استخدام شد ، هیچ فردی درباره ی فیزیک اولیه نیمه هادی ها اطلاعات کافی نداشت ، تا با استفاده از آن چگونگی  طراحی ترانزیستور را بفهمد.

باردین ، شاکلی و براتین

سرپرست تیم باردین در آزمایشگاه بل ، فیزیکدانی به نام ویلیام شاکلی بود ، ایده‌ای داشت که بر اساس آن تقویت کننده‌ها از کریستالی از سیلیکون ساخته می شد . اما این ایده عملی نشد. شاکلی ، از باردین و همکارش والتر براتین خواست تا علت را بیابند .

باردین با استفاده از دانش ریاضی و مکانیک کوانتومی و دانشی که با نوشتن پایان نامه دکترای خود در مورد رفتار الکترون‌های فلزات بدست آورده بود ، متوجه شد که الکترون هایی که روی سطح کریستالی سیلیکون قرار دارند می توانند به صورت یک صفحه الکتریکی ظاهر شوند . محاسبات او نشان داد که صفحه ها مانع می شوند تا نیمه هادی به عنوان تقویت کننده رفتار کند.

روزی که ترانزیستور متولد شد جان باردین به سمت خانه حرکت کرد ، ماشینش را در گاراژ پارک کرد و به همسرش گفت : «فکر می‌کنم ما امروز چیزی را کشف کردیم.»

با راهنمایی دیدگاه ریاضی باردین ، همکارش براتین ـ که در آزمایشگاه یک نابغه بود ـ طرح شاکلی را کنار زد و با بسیاری از طرح های دیگر کار می کرد . باردین ایده ها را پیشنهاد می کند ، مدل های ریاضی را توسعه می دهد و نتایج حاصل از آزمایش های براتین را تفسیر می کند در حالی که براتین ابزارها را می سازد ، آزمایش ها را اجرا می کند و در نهایت داده ها را جمع آوری می کند.

باردین ، شاکلی و براتین

در بعد از ظهر ۱۶ دسامبر ۱۹۴۷ ، آنها بالاخره کاری انجام دادند که نتیجه ی مطلوب حاصل شد. با استفاده از ژرمانیوم ، پلاستیک و طلا ، باردین و برایتن اولین تقویت کننده‌ی نیمه هادی جهان را ساختند، آنها بعدا آن را ترانزیستور نامیدند.

ترانزیستورها به طوری نقش اساسی را در زندگی  امروزی ما ایفا می کنند که به ندرت متوجه آنها می شویم . ترانزیستور ها در ده ی ۵۰ میلادی  به ما رادیو های جیبی و بعد تلویزیون‌های سبک ، دستگاه ضبط کاست های ویدئویی و دستگاه های کوچک پخش دیسک را دادند.

آنها استثنائاً تطبیق پذیرند. در کنار تقویت الکتریسیته ، قادر به خاموش و روشن کردن آن نیز بودند ، که این ویژگی آنها را بعنوان پایه های نسل دوم کاپیوتر ها ایده آل می کرد .

کامپیتر های دیجیتال با سیستم باینری از درست و غلط، صفر و یک ، با استفاده از ترانزیستورهایی که دارای حالت خاموش یا روشن بود ، رمز گذاری می شد.

اواخر دهه ی پنجاه میلادی ، کامپیوتر های دارای ترانزیستور ، جایگزین هیولاهای عظیم لامپ خلاء دار مانند انیاک شدند ، انیاک یک رایانه ۳۰ تنی بودکه یک اتاق بزرگ در دانشگاه پنسیلوانیا را اشغال می کرد و تا اواخر دهه چهل میلادی برای محاسبات بمب هیدروژنی استفاده می شد. ( ۱۸۸۵۰ عدد لامپ خلا موجود در انیاک انرژی زیادی را مصرف می کرد ، شایعه شده بود که هر بار انیاک روشن می شد برق کل شهر برای یک مدت بسیار کوتاه قطع و وصل می شد.)

در مقایسه با لامپ خلا ، ترانزیستورها سبک وزن ، کارآمد ، با دوام و ارزان بودند ، و آنها می توانستند در ابعاد بسیار کوچک طراحی شوند. در سال های آینده ، مهندسان و دانشمندان دیگر، توانستند بفهمند  که چگونه میلیون ها از ترازیستورها را روی یک چیپ جمع آوری کنند ، دستگاه هایی که امروزه به عنوان مدارهای مجتمع می شناسیم.

هرچقدر ابعاد چیپ ها کوچکتر می شود ، هر آنچه که اطراف ماست هوشمند تر می شود. ماشین ها با کارآیی بیشتری استارت می زنند ، سمعک ها کوچکتر می شوند و برای مبتلایان به بیماری مزمن قلب ، دستگاه ضربان ساز از قابل حمل به پوشیدنی و از پوشیدنی به قابل لمس تغییر می یابد .

حل کردن مسأله‌ی ابر رسانایی

نه سال بعد ، باردین در حال درست کردن تخم مرغ برای صبحانه بود که فرزندانش با شتاب وارد آشپزخانه شدند و فریاد زدند که از رادیو خبر برنده شدن جایزه نوبل در فیزیک توسط او را شنیدند ، باردین ماهیتابه از دستش به زمین می افتد و به سمت اتاق خواب می دود تا این خبر را به همسرش بدهد.

این اتفاق هیجان انگیزی بود ، اما هیجان انگیزتر کاری بود که او در آن زمان در حال انجامش بود . او در یکی دیگر از رازهای مکانیک کوانتومی محصور شده بود، یک پدیده تقریبا عجیب و غریب که به ابر رسانایی شناخته می شد.

پدیده ای که در آن فلزات خاصی به طور ناگهانی تمام مقاومت خود در برابر جریان برق را در دمای نزدیک به صفر مطلق از دست می دهند .

تمام شخصیت های برجسته فیزیک در قرن ۲۰ ابهامی در توجیه پدیده ابر رسانایی داشتند. از آلبرت انیشتین تا ورنر هایزنبرگ و ریچارد فیمن ، ولی هیچ یک قادر به حل این موضوع نشدند.

اما باردین این کار را همرا با دو تن از همکاران جوانتر از خودش انجام داد. ۱۶ سال بعد ، او به استکهلم برای دریافت دومین نوبل فیزیک بازگشت. امروزه تکنولوژی ابر رسانایی در حساس ترین آشکارساز های میدان های مغناطیسی دنیا استفاده می شود و کارآیی آن از کاوش نفت تا تصویربرداری پزشکی متغیر است.

جان باردین در سال ۱۹۹۱ در گذشت. برخی از همسایه های او هیچوقت نمی دانستند که او مخترع ترانزیستور بوده و پدیده ابر رسانایی را حل کرده و یا او تنها فردی است که در تاریخ دو جایزه ی نوبل فیزیک دریافت کرده است. آنها او را مردی فروتن و بی تصنع می دانستند که دوست داشت برای همسایگانش همبرگر بپزد و همیشه بپرسد که آیا میخواهند نانشان تست شود، همانطوری که خودش دوست داشت.

به اشتراک بگذارید

منبع: Science Focus

دیدگاه ها 0

دیدگاه بگذارید

avatar
  اشتراک  
مطلع شدن
رفتن به نوار ابزار