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JOHN BARDEEN |
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JOHN BARDEEN und die Supraleitung. Lebensdaten: 1908 - 1991. John Bardeen war an zwei Entdeckungen in der Physik beteiligt, die enorme Auswirkungen in der Praxis hatten. Als er nach dem Zweiten Weltkrieg an den Bell Laboratories arbeitete, gehörte er zu den drei Wissenschaftlern, die den Transistor entwickelten, der nur wenige Jahre später zu einer der wichtigsten Komponenten in der Elektronik wurde. Und in den 50er Jahren wirkte Bardeen an der theoretischen Lösung der Supraleitung mit - der Eigenschaft bestimmter Metalle, bei tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand zu leisten. Die BCS-Theorie (nach Bardeen, Leon Cooper und John R. Schrieffer) wurde zum Ausgangspunkt für Forschungen, die bis heute andauern und neue Technologien von weltweiter ökonomischer Bedeutung nach sich zogen. Hocheffiziente supraleitende Motoren, Generatoren und andere Geräte versprechen wesentliche Veränderungen in der Elektronik des 21. Jahrhunderts John Bardeen wurde am 23. Mai 1908 in Madison, Wisconsin, geboren. Sein Vater Charles Russell Bardeen war-Professor für Anatomie und später Dekan der Medical School an der Universität Wisconsin. Seine Mutter Althea Harmer Bardeen, eine Lehrerin und Künstlerin, starb während Johns Kindheit. Vom Elternhaus gefördert, war Bardeen ein ausgezeichneter Schüler, der mehrere Klassen übersprang. 1923, im Alter von fünfzehn Jahren, begann er das Studium an der Universität Wisconsin, interessierte sich - beeinflußt vom Gastdozenten PAUL DIRAC - für mathematische Physik und erwarb 1929 seinen Abschluß in den Ingenieurswissenschaften. Während der Weltwirtschaftskrise arbeitete er als Geophysiker für die Gulf Research and Development Corporation in Pittsburgh, wo er sich auf elektromagnetische Verfahren zum Aufspüren von Ölvorkommen spezialisierte. Mitte der 30er Jahre konnte er endlich seiner Neigung für die reine Wissenschaft nachkommen und ging ans Institute for Advanced Study an der Universität Princeton; 1936 promovierte er in mathematischer Physik. Sein Doktorvater war der für seine Arbeit zur Festkörperphysik bekannt gewordene ungarische Physiker Eugene Wigner. Bardeen erhielt eine Postdoktoranden-Forschungsstelle an der Universität Harvard, lehrte an der Universität Minnesota und arbeitete während des Zweiten Weltkriegs am U.S. Naval Ordnance Laboratory, wo er bei der Entwicklung von Abwehrmaßnahmen gegen Torpedos auf seine frühere Arbeit als Geophysiker zurückgreifen konnte. Durch die wirtschaftliche und politische Vormachtstellung der USA nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die 312industriellen Rahmenbedingungen für die nächsten Jahr- zehnte geschaffen. Die Elektronik spielte dabei eine entscheidende Rolle. Eng damit verbunden war die Entwicklung der Festkörperphysik, die sich mit den sogenannten Halbmetallen beschäftigt, leitende Materialien wie Silizium oder Germanium. Wissenschaftler an den Bell Laboratories hofften, durch diese »Halbleiter« die elektronische Röhre ersetzen zu können. Elektronen- oder Vakuumröhren stellen im Prinzip Stromkreisläufe dar, in denen der elektrische Stromfluß auf einfache Weise und beständig gesteuert werden kann. In der Rundfunk- und Fernsehtechnik sowie der aufkommenden Computertechnologie fanden sie breite Verwendung, durch ihre Größe sind ihrem praktischen Nutzen jedoch strikte Grenzen gesetzt. Halbleiter dagegen sind wesentlich kleiner, zuverlässiger und billiger. Silizium zum Beispiel ist das zweithäufigste Element, das auf der Erde vorkommt. Obwohl Bardeen vorhatte, sich mit Kernphysik zu befassen, wurde er 1945 von Bell für die Festkörperphysikforschung angeworben und gehörte - mit W. H. Brattain -zur berühmten Gruppe um William Shockley. Unter Verwendung von Germaniumkristallen erfanden Bardeen und Brattain 1948 den »Spitzentransistor«, der Audiosignale amplifizieren konnte. Damit zeigten sie, daß Halbleiter elektrische Ströme und Spannungen ebenso präzise verstärken und steuern konnten wie Elektronenröhren, wobei der Übertragungswiderstand durch »Doping« des Halbleiters vermindert werden konnte. Dieser frühe Transistor allerdings war in der Praxis kaum zu handhaben; erst 1952 entwickelte Shockley eine stabilere Version, auf die die später entwickelten integrierten Schaltkreise und der Silizium-Chip zurückgehen. 1956 wurden Bardeen, Brattain und Shockley dafür der Nobelpreis verliehen.Eines der großen Rätsel der Physik des 20. Jahrhunderts wurde 1911 vom holländischen Physiker HEIKE KAMERLINGH ONNES aufgeworfen. Er stellte fest, daß bei sehrtiefen Temperaturen Quecksilber plötzlich keinen elektrischen Widerstand mehr aufweist. Später fand man heraus, daß dies, obwohl es physikalisch nicht erklärt werden konnte, auf viele Metalle und metallische Verbindungen zutrifft. Kamerlingh Onnes äußerte die - richtige - Annahme, daß die Antwort durch die Quantentheorie gefunden werden könnte. Allerdings verstrichen vierzig Jahre ohne jeden weiteren Fortschritt. »John besaß den leidenschaftlichen Ehrgeiz, an der Spitze derjenigen zu sein, die versuchten, das Rätsel der Supraleitung zu lösen«, schrieb Bardeens Kollege Conyers Herring. 1951 verließ er daher die Bell Labs -Grund dafür dürften die Differenzen mit Shockley gewesen sein, der als außerordentlich schwierig galt - und übernahm eine Professorenstelle an der Universität Illinois. Die Anfänge der BCS-Theorie gehen auf das Jahr 1950 zurück, als Bardeen herausfand, daß die Isotope bestimmter Elemente bei unterschiedlichen Temperaturen supraleitend werden. Das ließ darauf schließen, daß zwischen den Elektronen und den Schwingungen des Atomgitters, das sie durchlaufen, eine einzigartige Wechselwirkung besteht. Nach einer ersten, unvollständigen Version der Theorie arbeitete er mit dem New Yorker Wissenschaftler Leon N. Cooper - Bardeen bezeichnete ihn als seinen »Quantenmechaniker aus dem Osten« - und dem Doktoranden John R. Schrieffer weiter an dem Problem. 1957 verkündeten sie eine allgemeine Theorie zur Supraleitung. Die BCS-Theorie, ein elegantes theoretisches Gebäude, dessen Einfachheit NIELS BOHR schlicht als schön empfand, erklärt das Phänomen der Supraleitung durch die Wechselwirkung, die zwischen den Elektronen und Phononen, den Quanten der Schall- oder Gitterschwingungen, auftritt. Phononen tragen zur Unterbrechung der Elektronenbewegung bei und verursachen dadurch den elektrischen Widerstand in leitenden Metallen. Bei tiefen Temperaturen allerdings vermindern sich diese Schwingungen, was Auswirkungen auf die Elektronen hat: Sie bilden daherPaare«, die aus zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin und entgegengesetztem Bewegungsmoment bestehen (deren mathematische Analyse von Schrieffer durchgeführt wurde). Wird eine elektrische Spannung angelegt, bewegen sich die gepaarten Elektronen - mit gleichem Bewegungsmoment und ohne Widerstand - durch den suprakalten Festkörper. Die BCS-Theorie fand schnell Anerkennung, 1972 erhielten Bardeen, Cooper und Schrieffer dafür den Nobelpreis für Physik (Bardeen war damit der erste Wissenschaftler, der auf dem gleichen Feld zweimal ausgezeichnet wurde). Der praktischen Anwendung der Supraleitung waren durch die erforderlichen tiefen Temperaturen zunächst Grenzen gesetzt. So war es vorrangiges Ziel, Materialien zu finden, die bei höheren Temperaturen supraleitend werden. 1986 wurde ein keramischer Stoff entdeckt, der bei 35° K supraleitend wird. Kurze Zeit später verfügte man über andere Materialien, die bei etwa 100°K supraleitend sind. Man konnte nun kleine Apparate konstruieren - SQUIDS (Supraleitende Quanten-Interferenz-Instrumente) -, die in der Medizin, Geologie und anderen Gebieten eingesetzt werden. Die Aussicht, verwendbare Materialien zu finden, die bei Raumtemperatur die gewünschten Eigenschaften aufweisen, bleibt ein plausibles Ziel und kann zu umwälzenden Veränderungen im täglichen Leben führen. John Bardeen lehrte von 1959 bis zu seiner Pensionierung 1975 am Center for Advanced Studies der Universität Illinois. Er war mit Jane Maxwell verheiratet und hatte mit ihr zwei Töchter und einen Sohn, William, der ein Elementarteilchentheoretiker wurde. John Bardeen starb am 30. Januar 1991 an Herzversagen. |
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