¿Cómo se hace un genio? (o la historia de Bardeen y el primer transistor)

John Bardeen entró en 1923 en una universidad americana de “segunda” la University of Wisconsin, en Madison, para estudiar ingeniería. El hijo de uno de sus profesores de Matemáticas, John Van Vleck, nueve años mayor que él, llegó a la University of Wisconsin a finales de 1928 para impartir un curso anual sobre Física Cuántica, uno de los primeros cursos de este tipo en EEUU, que introdujo a Bardeen a la Mecánica Cuántica que se acababa de desarrollar en Europa entre 1925 y 1926. Van Vleck era experto en la “antigua” mecánica cuántica y había escrito en 1926 un libro de texto sobre ella, “Quantum Principles and Line Spectra.” Que Bardeen también estudió. Bardeen destacó como alumno y Van Vleck le recomendó que considerara seriamente una carrera en Física. Él pensabe que “las únicas salidas de Física y Matemáticas eran dar clase en la Universidad y él no quería acabar así.” Ya graduado decidió estudiar alemán durante un año y aprovechó para estudiar los cursos de doctorado en Física. Entre estos cursos, recibió uno del holandés Peter Debye y otro del británico Paul Dirac, de sólo 27 años. Dirac cubrió en su carso la mayor parte de su futuro libro de texto “The Principles of Quantum Mechanics,” todo un clásico hoy en día. Por Madison también pasaron otros genios de la nueva mecánica cuántica, como Werner Heisenberg y Arnold Sommerfeld.

Bardeen acabó los cursos de su carrera en 1928, con 20 años, y defendió su proyecto fin de carrera (Master Thesis) en 1929. Solicitó una beca para visitar Europa, en concreto para estudiar Física en el Trinity College de Cambridge, UK. Sin embargo, a pesar de sus buenas recomendaciones, no se la concedieron. Se tuvo que quedar en Madison como ayudante de investigación de Edward Bennett que trabajaba en los efectos de la difreacción en el diseño de antenas. La depresión de 1929 hizo difícil que Bardeen encontrara trabajo, recayendo finalmente en 1930 en la “Gulf Oil Company” de Pittsburgh, que le ofreció un puesto de geofísico, para estudiar prospecciones petrolíferas.

La investigación y el mundo académico “tiran mucho.” Bardeen decidió retornar, abandondando un buen puesto de trabajo en Gulf. Solicitó ser admitido en Princeton para desarrollar un Doctorado en Matemáticas, en 1933, cuando ya tenía 25 años. La cruzada de Hitler contra los científicos judíos hizo que muchos emigrasen a EEUU y algunos de los mejores acabarían en Princeton, atraídos por el nuevo Institute for Advanced Study (fundado por un propietario de una línea de supermercados que no sufrió la crisis del 1929, “todo el mundo tiene que comer,” y quiso “retornar” a sus conciudadanos parte de sus beneficios). Al IAS llegaron físicos de la talla de Albert Einstein, Hermann Weyl, Eugene Wigner o John von Neumann. En 1933, Princeton era uno de los mejores lugares de EEUU para estudiar Física y Matemáticas, todo un paraíso.

Walter Brattain era uno de los compañeros de clase de Bardeen en Princeton y rápidamente “hicieron buenas migas”. Walter simultaneaba sus estudios con un trabajo como físico en los Bell Telephone Laboratories, la rama de investigación y desarrollo de la American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T). Era de los pocos físicos de los Bell Labs que pensaba que la mecánica cuántica sería muy importante a la hora de resolver los problemas de comunicaciones de la AT&T. Logró que la propia compañía le pagara los estudios tras asistir a una conferencia de Arnold Sommerfeld, en Ann Arbor, en la Escuela de Verano de Física Teórica de Michigan en 1931, sobre las nuevas teorías “del electrón” en los metales.

Eugene Wigner estaba interesado en aplicar la nueva mecánica cuántica al estudio de los sólidos. Bardeen decidió hacer su tesis doctoral bajo la dirección de Wigner (sólo 6 años mayor que él). Wigner le sugirió a Bardeen que calculara la función de trabajo de un metal, la energía necesaria para extraer un electrón de su superficie. Una tesis doctoral en Física Teórica del Estado Sólido, a principios de los 1930s cuando sólo en 2 lugares en el mundo se ofrecían doctorados en este tópico: uno en el MIT, en Massachusetts, bajo la dirección de John Slater, y otro en la University of Bristol, Gran Bretaña, bajo la dirección de John E. Lennard-Jones, Nevill Mott, y Harry Jones. En su tesis doctoral Bardeen utilizó la aproximación de Hartree-Fock para la función de onda del electrón en un metal con objeto de resolver el problema planteado por Wigner. La defendió en enero de 1936 (su padre falleció el año anterior lo que le retrasó la defensa de la tesis). Gracias a su tesis logró una plaza de investigador en Harvard, Cambdrige, el mejor lugar para realizar un postdoc en EEUU en la época, como “junior fellow”.

En Harvard, Bardeen trabajó entre otros temas de la física del estado sólido en la teoría de la superconductividad. En 1933, Meissner y Ochsenfeld descubrieron que los superconductors repelen campos magnéticos, el “efecto Meissner,” lo que indicaba que la transición de fase entre estado normal y superconductor de un metal era reversible. Los hermanos London, Fritz y Heinz, desarrollaron una teoría fenomenológica de la superconductividad para explicar dicho efecto. Bardeen trató de extender y generalizar esta teoría pero sin éxito. Entre 1935-36, Bardeen se hizo amigo de William Shockley, entonces estudiante de doctorado de Slater. En marzo de 1936, Shockley recibió una oferta de trabajo envidiable para trabajar en los Bell Telephone Laboratories que no pudo rechazar. Para sorpresa de sus compañeros, Bardeen abandonó Harvard en mayo de 1938 para aceptar una plaza de Assistant Professor en la University of Minnesota, Minneapolis, invitado por John Tate, editor principal de la revista Physical Review, quien fue director de la tesis doctoral de Walter Brattain, quien deseaba un departamento “fuerte” en física del estado sólido. Bardeen aprovechó para casarse.

Con la Gran Guerra, se vio obligado a abandonar la Universidad y dedicarse a servir a la patria en investigación militar (acabó recibiendo una Medalla al Mérito Civil). Tras la guerra, la Física del Estado Sólido era reconocida como una de las grandes ramas de la Física y Kelly, los Bell Labs, quien atrajo a Shockley, quería formar un grupo “fuerte” en esta materia. Contaba también con Walter Brattain entre otros, y estaba intereado en Bardeen, a quien ofreció mejor salario y sin obligaciones docentes. Bardeen no pudo rechazar la oferta y el 15 de octubre de 1945 ya era miembro de los Bell Labs para trabajar en física de semiconductores, junto a Brattain y Shockley.

El 22 de octubre de 1945, Shockley le pidió a Bardeen que estudiara un diseño que había desarrollado 6 meses antes para un amplificador de “efecto de campo” de silicio. Sin embargo, el diseño en la práctica no funcionaba. Shockley no sabía el porqué, ya que las teorías de semiconductores en boga como las de Mott y Schottky predecían lo contrario. Bardeen sabía que la teoría debía estar mal. Faltaba algo. Aplicó algunas de las técnicas que desarrolló en su tesis doctoral para el estudio de electrones en superficies y mejoró la teoría, pero no logró resolver el problema completamente. En verano de 1947, Shockley y Bardeen estuvieron de gira por Europa. Tras retornar, Shockley decidió reorientar su investigación a problemas de dislocaciones en semiconductores.

Noviembre de 1947 fue el mes “mágico” para Bardeen: Brattain había encontrado que gotas de agua en la superficie del amplificador de Shockley alteraban mucho su comportamiento eléctrico. Bardeen sugirió que los iones móviles en los electrolitos (o las gotas de agua) podían crear un campo eléctrico suficientemente grande como para superar los estados electrónicos superficiales que reducían el efecto de amplificación. Depositando agua o un electrolito se lograba formar una capa de carga positiva en una superficie y una negativa en la otra, con lo que habían logrado fabricar un amplificador de efecto de campo. El 20 de noviembre, escribieron la solicitud de patente. Por supuesto, quedaban muchos detalles por concretar. Shockley no intervo en el descubrimiento, estaba “en lo suyo”. Bardeen, teórico, trabajó mano a mano con Brattain (físico) y con Gibney (químico) en la parte experimental. Aunque la propuesta de Bardeen del 21 de noviembre todavía no presentaba el efecto amplificador deseado, contenía los elementos fundamentales del primer transistor.

Las mejoras al primer diseño de Bardeen fueron desarrolladas por él y Brattain, fundamentalmente. Los avances en el diseño fueron muy rápidos. Día a día el diseño iba mejorando con nuevas ideas. Uno de los cambios más importantes, en el que intervino Shockley, fue sustituir el silicio por germanio, sugerencia conjunta de Brattain y Shockley durante el almuerzo el 8 de diciembre. Gracias a ello lograron obtener el efecto de amplificación. El 10 de diciembre, habían logrado una ganancia en potencia de 6000 con un transistor muy similar a los actuales MOSFET. El primer transistor, que vemos en la foto, es del 16 de diciembre de 1947.

Shockley, en las navidades de 1947, se dió cuenta de la importancia del descubrimiento de Brattain y Bardeen, y se puso a trabajar duro y el lunes, 28 de diciembre, había diseñado el primer transistor bipolar. Citó por separado a Brattain y Bardeen para “que quedara clara” su participación en el descubrimiento. Kelly quería que todo se mantuviera en el más absoluto secreto (se rumoreaba que había un descubrimiento similar en Europa). El 30 de junio de 1948 se hizo público el dispositivo que ya tenía nombre: transistor. A partir de ese momento, Shockley, Brattain y Bardeen se convirtieron en “estrellas”, viajando por todo el país dando múltiples conferencias. Shockley estaba encantado en su papel de “estrella”. Brattain y, sobre todo, Bardeen estaban “hartos”. En 1950, Bardeen ya no quería trabajar en los mismos problemas que Shockley y empezó a darle vueltas al problema que le quitó el sueño antes de la Gran Guerra, la superconductividad. Pero esa es otra historia.

Quién se acuerda de John Bardeen este año que se cumplen 100 años de su nacimiento

John Bardeen tiene el honor de ser el único científico que ha recibido 2 premios Nobel en Física por el descubrimiento del transistor y por su teoría de la superconductividad. Frederick Sanger ganó el Premio Nobel de Química en dos ocasiones en 1958 y 1980, Marie Curie ganó el de Física en 1903 y el de Química en 1911, y Linus Carl Pauling el de Química en 1954 y el Premio Nobel de la Paz en 1962. Merece la pena recordarlo este año que se cumplen 100 años de su nacimiento. La entrada de la wiki es breve pero efectiva. Su biografía más famosa es “TRUE GENIUS. THE LIFE AND SCIENCE OF JOHN BARDEEN. The Only Winner of Two Nobel Prizes in Physics,” Lillian Hoddeson y Vicki Daitch, Joseph Henry Press, Washington, 2002 . 

John Bardeen bajaba despacio por el corredor del edificio de física, parecía perdido en sus pensamientos, era el 1 de noviembre de 1956, llevaba 5 años siendo catedrático de física en la University of Illinois, trataba de digerir la noticia que había recibido esa misma mañana: él y dos de sus colegas, William Shockley y Walter Brattain, habían ganado el Premio Nobel de Física por la invención del transistor en diciembre de 1947, cuando trabajaba en los Bell Telephone Laboratories.

La compañía telefónica Bell quería reemplazar los amplificadores basados en tubos de válvulas de vacío por algún nuevo dispositivo, más barato y con mayor proyección tecnológica. El líder del grupo de semiconductores, Shockley, tras la llegada de Bardeen a finales de 1945, le encargó que estudiara el porqué cierto diseño de amplificador basado en silicio no funcionaba. Schockley había diseñado dicho dispositivo varios meses antes utilizando las mejores teorías mecánico-cuánticas disponibles y según sus cálculos el dispositivo tenía que amplificar señales, sin embargo, no lo hacía. Bardeen encontró una explicación: los electrones eran confinados en las superficies de los materiales que formaban el dispositivo. Bardeen y Brattain estuvieron 2 años trabajando intensamente en el estudio de estos estados electrónicos superficiales con objeto de obtener su invención, el transistor. Shockely no intervino como tal en este invento. Sin embargo, supo aprovecharse de su situación de líder del grupo. Echó a Bardeen y Brattain de su grupo y se encargó de liderar el desarrollo de los transistores de segunda generación. Desde entonces, muchos creen que Shockley fue inventor del transistor, sin embargo, se limitó a ser “jefe”.

Al modesto Bardeen nunca le importó que Shockley asumiera el papel de “estrella de Hollywood” en el invento del transistor. De hecho, Bardeen nunca pensó que el transistor fuera un invento lo suficientemente importante como para recibir el Premio Nobel de Física. El nunca pensó que su invención fuera un avance científico de primera magnitud. De hecho, en 1956, el transistor todavía no había revolucionado las tecnologías de la información y las comunicaciones.

En 1956, la “cabeza” de Bardeen le daba vuelta a otros asuntos “más importantes”. Junto a un alumno postdoc, Leon Cooper, y a un alumno de doctorado, J. Robert Schrieffer, estaba involucrado en el desarrollo de una teoría para la superconductividad. Según Bardeen, su trabajo en esta teoría sí merecía un Premio Nobel en Física, ya que la superconductividad era el problema de la física del estado sólido más importante desde la década de los 1920. Bardeen llevaba trabajando en este problema desde finales de los 1930s. Unos meses después de que Bardeen regresara desde Estocolmo con su Nobel bajo el brazo, Bardeen, Cooper, y Schrieffer resolvieron el problema de la superconductividad, inventando la teoría llamada BCS en su honor. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) de la superconductividad ha sido uno de los momentos cumbre de la física del siglo XX. Conceptos tan importantes como la ruptura espontánea de la simetría y la generación de masa asociada a ella (la razón por la que se busca el bosón de Higgs en el LHC del CERN) parten de la teoría BCS de la superconductividad.

La teoría BCS fue todo un triunfo para la física teórica, poder explicar la superconductividad descubierta en 1911, cuando los mejores teóricos del mundo, entre ellos Richard Feynman, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, y Lev Landau, habían tratado de lograrlo infructuosamente. Felix Bloch llegó a decir “toda teoría de la superconductividad puede ser refutada,” ilustrando la gran frustación de todos los teóricos que atacaron dicho problema.

Cuando el comité Nobel premió en 1972 a Bardeen, Cooper, and Schrieffer con el Nobel de Física, era la primera vez que un físico recibía un segundo premio Nobel en el mismo campo. Bardeen cambió la física moderna tanto como Einstein, con dos invecciones de primera magnitud, y sin embargo, como tituló el periódico Chicago Tribune: “Para los científicos Bardeen es un Einstein. Para el público en general es un … ¿John qué?”.

¿Por qué el padre de la Era de la Información es un desconocido para el gran público? Quizás la culpa la tiene el propio Bardeen, el ejemplo perfecto del “genio modesto”.