BARDEEN, John (1908 – 30 Ocak 1991, Boston, Massachusetts, ABD)
ABD’li fizikçi. Transistörün keşfine ve üstün iletkenlik kuramının geliştirilmesine yönelik çalışmalarıyla iki kez Nobel Fizik Ödülü almıştır.
23 Mayıs 1908’de, Wisconsin Eyaleti’nin merkezi Madison’da doğdu. Wisconsin Üniversitesi’nin Elektrik Mühendisliği Bölümü’nden 1928’de lisans, 1929’da yüksek lisans diploması aldı. 1930’dan 1933’e değin Pittsburgh’taki Gulf Research Laboratories’de jeofizik araştırmaları yaptıktan sonra, 1933’te Prince-ton Üniversitesi’ne geçerek, katı hal fiziğinin öncülerinden Eugene Wigner’in derslerini izledi ve 1936’da matematiksel fizik konusundaki teziyle aynı üniversitede doktorasını tamamladı. 1935-1938 arası Harvard Üniversitesi’nde araştırma görevlisi olarak Val Vleck ve Bridgman ile birlikte çalışan Bardeen, 1938’de Minnesota Universitesi’nin fizik bölümünde asistan profesör oldu. O sıralar, London’m fenomenolojik kuramından esinlenerek üstün iletkenlik üzerine ilk çalışmalarına başladıysa da olumlu bir sonuç alamadı.
II. Dünya Savaşı sırasında da, 1941 ’den 1945’e değin başkent Washington’daki Deniz Kuvvetleri Ordu Donatım Laboratuvarı’nda görevlendirildi. 1945’te Bell Telephone Laboratories’in yeni kurulmuş bir araştırma grubuna katılarak, katı cisimlerin elektronik özellikleri üstünde çalışmaya başlayan Bardeen, yarı iletkenlerin davranışlarını ilk kez bu kuruluşta Brattain ve Shockley ile birlikte inceledi. 1948’de transistörün bulunmasıyla sonuçlanan bu çalışmalarıyla, üç fizikçi 1956 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar.
Bardeen, 1951’de Illinois Üniversitesi’nde elektrik mühendisliği ve fizik dalında profesör olduktan sonra, yeniden üstün iletkenlik konusunu ele aldı ve bu alana katkıları nedeniyle, 1972 Nobel Fizik Ödülü’ nü çalışma arkadaşları Cooper ve Schrieffer ile paylaştı. 1975’te Illinois Üniversitesi’nden Emeritus profesör olarak emekliye ayrılan Bardeen, Amerikan Fizik Derneği, Ulusal Bilimler Akademisi, Londra’ daki Royal Society, SSCB Bilimler Akademisi gibi pek çok bilim derneğinin de üyesidir.
Yarı iletkenler ve transistor
Araştırmalarını kuramsal katı hal fiziği üzerinde yoğunlaştıran Bardeen, en çok yarı iletkenlerin elektronik özellikleriyle ve alçak sıcaklık fiziğinin ilginç sonuçlarından üstüniletkenlikle ilgilenmiştir. Yarı iletkenler üzerinde Brattain ve Shockley ile birlikte sürdürdüğü üç yıllık ortak çalışmanın ürünü, bugünkü elektronik aygıtların en temel öğelerinden biri olan transistördür. Atomlarının son tabakasında sekiz yerine dört elektron bulunan ve olağan koşullarda yalıtkan olarak davranan silisyum, germanyum gibi yan iletken elementlerin kristallerine, bir eksik (ya da bir fazla) elektronlu element atomlarından bir miktar katıldığında, bu kristaller, yük taşıyıcıları pozitif (ya da negatif) olan iletkenlik özellikleri göstermeye başlar. Bu değişik nitelikli yarı iletkenler uygun bir düzenleme içinde bir araya getirildiğinde uygulanan gerilimin yönüne ve şiddetine bağlı olarak, bu iletkenlerin içinden geçen akımda da önemli değişiklikler ortaya çıkar. Bu değişikliğe yol açan sıcaklık, gerilim, kullanılan katkı elementinin türü ve miktarı gibi etkenleri isteğe göre ayarlayarak, yarı iletkenlerden oluşan transistörlerin, titreşim üretilmesinden akım ya da gerilimin yükseltilmesine, modülasyonuna ve doğrultulmasına varıncaya dek hemen her türlü işlevi yerine getirmesi sağlanabilir. Nitekim, boyutları küçük, ağırlığı ve tükettiği enerji çok daha az, buna karşılık dayanıklılığı ve kullanılma ömrü daha fazla olduğu, üstelik akım verilir verilmez hemen çalışmaya başladığı için kısa sürede elektron lambalarının yerini alan transistor, ışığa duyarlılığı nedeniyle ışık etkilerini ölçmek gibi yeni uygulama alanları da yaratmıştır. Bugün radyodan bilgisayarlara ve yapma uydulara dek hemen her alanda transistor kullanılırken, elektron lambaları çok yüksek akımların gerektirdiği kimi özel durumlar dışında hemen hiç kullanılmaz olmuştur.
Bardeen’in çalışmalarında önemli bir yer tutan üstün iletkenlik ise,1911’de Hollandalı fizikçi Kamer-ling Onnes tarafından ilk kez alçak sıcaklıktaki (ykş. 4° Kelvin ya da -269°C) civada gözlenmiş, ancak olayın temel nedeni uzun yıllar anlaşılamamıştı. Üstün iletkenlik durumunda manyetik akının dışlanması (Meissner olayı) ya da hapsedilmesi gibi ilginç etkileri gözlemlenen bu olayların temelinde makros-kopik çapta bir kuvantal etki olabileceğini düşünen London, hapsedilen akının kuvantalaşacağını da fenomenolojik kuramıyla açıklayabilmişti.
Üstün iletkenliğin BC kuramı
London’ın kuramının etkisiyle 1940’lara doğru üstüniletkenlikle ilgilenmeye başlayan Bardeen, savaş nedeniyle ara verdiği bu çalışmasını 1950’ye değin yeniden ele alamamıştı. O sıralar, üstün iletken duruma geçme sıcaklığının, ilgili elementin izotop kütlesine bağlı olduğunun bulunması, Bardeen’in ilgisini yeniden bu konuya çekti. Ama, element atomlarının serbest elektronlar üzerindeki etkisini ve bu etkiyle üstün iletkenliğe geçiş arasındaki ilişkiyi uzun süre açıklayamadı. 1956’da Cooper’m, belirli özellik gösteren elektronların ikişer ikişer ortak davranışa girdiğini ileri sürmesi üzerine, bu görüşten yola çıkan Bardeen, Cooper ve Schrieffer, ancak ertesi yıl üstün iletkenliğin kuramsal açıklamasını yapabildiler. Üç fizikçinin adlarının ilk harflerinden esinlenerek “BCS kuramı” diye adlandırılan bu kuram, üstün iletkenlik olgusunu elektronların mutlak sıfır dolaylarındaki alçak sıcaklıkta gözlemlenen özel davranışlarına bağlar. Gerçekten de, temel parçacıklardan bir bölümünün (örneğin fotonlar) aynı fiziksel koşullar altında hep bir arada toplanma eğiliminde olmasına karşın, başka türden parçacıklar (örneğin elektronlar) aynı koşullar altında aynı türden başka bir parçacıkla bir arada bulunmaya yanaşmaz. Oysa, sıcaklık alçaldığında, element atomları serbest dolaşan elektronlarla etkileşerek, bu elektronlar arasından kimi belirli koşulları yerine getirenleri ikişer ikişer ortak davranmaya zorlar. Böylece oluşan “Cooper çiftleri”de, artık fotonlar gibi aynı fiziksel durumda birlikte bulunmanın yollarını aramaya başlar. Bu nedenle, bir kez akım başladıktan sonra, elektronların akıma karşı direnci nedeniyle her Cooper çifti, etkileşeceği başka bir çifti öbürlerinden değişik bir fiziksel duruma getirmeye uğraşsa da, aynı durumda bulunma eğilimi tüm çiftlerin katıldığı toplu bir davranış biçimi olarak çok daha güçlü olduğundan, dirençleri etkisiz kalır. BCS kuramı üstün iletkenlerin gösterdiği tüm özelliklere açıklama getirebilmiş, ancak bu kurama göre yük taşıyıcılar ikişer elektron olduğundan, hapsedilmiş akının temel birimi London’ın önerdiğinden iki kat küçük olarak hesaplanmıştır. 1961’de yapılan ölçümlerin de aynı sonucu vermesi, BCS kuramını destekleyen sağlam bir kanıttır.
Bugün, çok gelişmiş elektronik düzeneklerin ve çok duyarlı ölçü aletlerinin yapımından milyarlarca Watt’lık akımların taşınmasına dek pek çok alanda uygulaması olan üstün iletkenliği, “Josephson eklemi” denilen düzenlemelerle bilgisayar yapımına da uygulayabilmek için araştırmalar sürdürülüyor. Günümüzde en ilginç üstün iletkenlik uygulamaları, Japonya’da kitle taşımacılığı için sürtünmesiz ray sistemlerinin yapımı ve temel parçacıklara çok yüksek enerji kazandıran hızlandırıcıların kurulmasıdır.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi