作者：张天蓉
邮票上的巴丁
著名的诺贝尔奖自1900年开始至今已有120年的历史。在众多的诺奖得主中有一位物理学家得过两次诺贝尔物理学奖（居里夫人则是一次化学奖一次物理学奖），他就是美国物理学家，一个鲜为人知的名字：约翰·巴丁。
巴丁（John Bardeen，1908-1991）是教授的儿子。他年轻时不想像父亲一样成为学者，上大学读的是电机专业而非物理系。1930年大学毕业时正值美国经济大萧条，他想到AT&T（美国电话电报公司）工作的申请没有通过，转而接受了海湾石油公司的聘用，并在那里出色地工作了4年。
出于对物理和数学的浓厚兴趣，巴丁放弃了工资优厚的工作，到普林斯顿大学攻读物理博士学位。他在普林斯顿师从著名的美国匈牙利裔理论物理学家及数学家尤金·维格纳，顺利获得了博士学位。
虽然巴丁的名字鲜为人知，但他与同伴的研究成果无人不知无人不晓——发明晶体管导致了计算机革命及信息革命；创建BCS超导理论影响深远。正是这两项科研成果让巴丁的诺贝尔物理学奖先后梅开二度。
1956年，巴丁和过去贝尔实验室的同事肖克利、布拉顿三人共同获得当年的诺贝尔物理学奖。当他的女儿贝特茜和儿子比尔听到新闻报道后大喊“爸爸获得了诺贝尔奖”。正在给家人做煎鸡蛋的巴丁甚感意外，手上的平底锅也“啪”地掉到了地上。“我怀疑委员会中的很多人都不确信这项技术（晶体管）值得这个奖。我自己也感到怀疑。”后来，48岁的巴丁在给朋友的信中如此写道。
这次获诺奖是因为9年前他们在贝尔实验室发明了世界上第一支晶体管。其实，三名研究人员当时都担心只是偶然成功，在经过一周时间的反复验证之后才向领导汇报并进行了演示。获得1956年诺奖时，巴丁已经在五年前转到了伊利诺伊大学任教。这时的巴丁正在和他的同伴研究低温超导，冲刺BCS超导理论。也正是因为创建了BCS超导理论，让他再次赢得了1972年的诺贝尔物理奖。
晶体管的发明有它的背景因素。二战结束后，战争中的许多研究成果，包括原子弹、微波、电子等技术为战后工业及各个科学领域带来了极大的正面影响。那些服务二战的科学家回到往日的岗位，他们不仅关注量子场论（量子电动力学）的建立和发展，也重视其实用价值。
1945年夏天，贝尔实验室正式决定以固体物理为主要研究方向。那时候，半导体整流器已经是熟悉的装置，人们希望能用半导体制造出晶体管，再组成放大器，从而开拓电子技术的新领域。
1945年的10月，巴丁加入到贝尔实验室的肖克利小组，与课题负责人威廉·肖克利（William Schockley, 1910-1989）和另一位同事沃尔特·布拉顿（Walter Brattain，1902-1987）共同研究开发晶体管。这三人可谓珠联璧合：肖克利是生于伦敦的美国人，MIT毕业的研究半导体的物理博士，已经在PN结研究及策划制造晶体管领域奋斗数年；布拉顿是实验高手；而巴丁是理论天才。
巴丁来贝尔实验室时，肖克利对开发晶体管已经有他的设想，但和布拉顿一起进行的几次实验都失败了。擅长理论计算的巴丁潜心研究了这个问题，发现电场无法穿越半导体可能是因为受到金属片屏蔽缘故。他提出了固体的表面态和表面能级概念，猜想半导体物质的表面存在着一种机制，能激发出一种可防止自身被外场贯穿的特殊状态。这涉及到半导体、导线和电解质之间的点接触。小组于是将研究重点改为注重材料的表面状态。至1946年冬，他们工作向前迈进了一大步，并且形成了几篇研究论文。
经过巴丁的再次计算，他们决定制造“点接触晶体管”。根据多次试验的经验体会，锗半导体上两根金属丝的接触点靠得越近，就越有可能引起电流的放大。这需要在晶体表面安置两个大约相距只有5×10-3厘米的触点。
实验室高手布拉顿有信心克服这最后一道难关。他找来一块三角形的厚塑料版，从尖尖的顶角朝三角形的两边贴上了一片金箔，又小心仔细地用锋利的刀片在顶角的金箔上划了一道细痕，然后，将三角塑料版用弹簧压紧在掺杂后的半导体锗的表面上。最后，再将一分为二的金箔两边分别接上导线作为发射极和集电极，再加上金属基底引出的基极，总共三条线，将它们分别接到了适当的电源和线路上。
点接触晶体管
1947年12月16日，他们终于观察到二个触点间的电压增益为100倍的数量级，第一个晶体管就此诞生了！从图中可以看出，这个原始的“三条腿的魔术师”虽然笨拙，不是那么漂亮，然而却是一个划时代的发明。
一个月之后，肖克利自己又发明了一种全新的、能稳定工作的“P-N结型晶体管”。后来由于肖克利的限制和打压下，三人分道扬镳：巴丁1951年接受了伊利诺伊大学香槟分校的教职，布拉顿则转到了贝尔实验室的另外部门。
BCS理论主要是解释导体在温度下降到接近绝对零度时其电阻为什么会突然消失而成为没有电阻的超导体。巴丁从1950年开始就考虑低温超导的奇特现象问题。
1911年，荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Onnes，1853-1926）发现水银样品以及其它的一些金属，在低温（4K左右）时电阻完全消失。这被称为超导现象。超导的应用在目前主要是核磁共振成像、加速器、磁悬浮、以及核聚变研究和开发量子计算机等。
超导基本特性
低温超导的第一个理论是1935年弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦两兄弟提出的伦敦方程。后来，前苏联物理学家朗道和金茨堡，以朗道的二次相变及对称破缺理论为基础，导出了著名的金茨堡-朗道方程，成功地计算出了超导体的许多特性。
巴丁的研究偏向超导现象的微观物理机制。履职伊利诺伊大学香槟分校后，巴丁和利昂·库珀、约翰·施里弗三人提出了以他们名字的第一个字母命名的BCS理论。后来这个理论被认为是超导现象的常规解释。按照BCS理论：低温下出现电阻消失的超导现象是因为材料的晶格振动，即声子耦合，使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零、总自旋为零的库珀电子对。电子是费米子，而由两个电子组成的库珀对则可以是玻色子，在低温下能形成玻色-爱因斯坦凝聚而集聚成超导大电流。学界认为，BSC理论基本解释了低温下的超导现象，三位学者也因此而获得1972年的诺贝尔物理学奖。
电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对。但BCS理论认为，电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用。电子声子间的这种相互作用在满足一定条件时，可以是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。在很低的温度下，库珀对的结合能可能高于晶格原子振动的能量。这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有了电阻，形成所谓“超导”。
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