John Bardeen, hai giải Nobel và lời hứavới vua Thụy Điển

John Bardeen (23 tháng 5 năm 1908 – 30 tháng 1 năm 1991)

John Bardeen là nhà Vật lý duy nhất cho tới nay được trao hai giải Nobel Vật lý. Ông cũng là một trong chỉ bốn người được trao tặng hai giải Nobel:

1/ Marie Curie nhận giải Nobel Vật lý vào năm 1903 cho các nghiên cứu về bức xạ (cùng với Pierre Curie-chồng bà và Henri Becquerel) và giải Nobel Hóa học (trao trọn vẹn cho bà) vào năm 1911 cho phát hiện nguyên tố Poloni và Radi. Marie Curie là người phụ nữ đầu tiên nhận giải Nobel, và là người đầu tiên và cũng là phụ nữ duy nhất được trao hai giải Nobel trong hai lĩnh vực khoa học khác nhau (vật lý và hóa học).

2/ Linus Pauling được trao giải Nobel Hóa học vào năm 1954 cho nghiên cứu bản chất của liên kết hóa học và ứng dụng của nó và giải Nobel Hòa bình vào năm 1962 vì các hoạt động hòa bình của ông. Ông cũng là một trong hai người được trao giải Nobel trong hai lĩnh vực khác nhau (hóa học và hòa bình) và là người duy nhất cho đến hiện nay trong lịch sử nhận trọn vẹn 2 giải thưởng Nobel.

3/ John Bardeen nhận giải Nobel Vật lý lần thứ nhất vào năm 1956 cho các nghiên cứu về chất bán dẫn và phát minh ra tranzito (cùng với William Shockley và Walter Brattain), và giải Nobel vật lý lần thứ hai vào năm 1972 cho lý thuyết siêu dẫn (cùng với Leon Neil Cooper và John Robert Schrieffer, thường được gọi là lý thuyết BCS-viết tắt theo chữ cái đầu của tên của 3 người). John Bardeen là người duy nhất cho tới nay được trao hai giải Nobel Vật lý, là người thứ hai đạt hai giải Nobel về khoa học và là người thứ nhất được trao hai giải Nobel trong cùng một lĩnh vực (Vật lý).

4/ Frederick Sanger nhận giải Nobel Hóa học năm 1958 cho công trình nghiên cứu làm sáng tỏ cấu trúc của protein, đặc biệt là cấu trúc của insulin-hoóc môn quan trọng trong việc điều hòa chuyển hóa glucose, và giải Nobel Hóa học lần thứ hai năm 1980 cho phương pháp xác định trình tự bazơ trong DNA, thực hiện bước đầu tiên trong việc nghiên cứu bộ gen người (cùng với Walter Gilbert chia sẻ một nửa giải thưởng, nửa kia được trao cho Paul Berg cho những nghiên cứu cơ bản về hóa sinh của DNA). Sanger là là người duy nhất cho tới nay được trao hai giải Nobel Hóa học, là người thứ ba đạt hai giải Nobel về khoa học và là người thứ hai được trao hai giải Nobel trong cùng một lĩnh vực (Hóa học).

Từ năm 1945, Bardeen làm việc tại Bell Labs (phòng thí nghiệm của hãng điện thoại Bell, hiện là Nokia-Bell labs), nơi ông cùng với Brattain và Shockley tiến hành nghiên cứu về đặc tính dẫn điện của chất bán dẫn. Vào ngày 16 tháng 12 năm 1947, họ đã khám phá ra tranzito-bóng bán dẫn, một thiết bị khuếch đại tín hiệu điện hiệu quả, có kích thước nhỏ, thay thế cho các ống chân không lớn và cồng kềnh. Nó đã cung cấp công nghệ thu nhỏ các linh kiện điện tử. Tranzito đóng vai trò như chìa khóa cho hầu hết các hoạt động của các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lý cao cấp trong máy tính hay cả trong tên lửa, cho tới những cục sạc điện thoại sử dụng hàng này. Tranzito đã tạo nên cuộc cách mạng thực sự trong lĩnh vực điện tử cũng như kỷ nguyên công nghệ thông tin hiện đại, làm thay đổi đáng kể cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nhiều người coi nó là một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỉ 20, sánh ngang với mạng Internet.

Từ ‘transitor’ là sự kết hợp giữa từ “chuyển giao” (transfer) và “điện trở” (resistance), do kỹ sư điện John Robinson Pierce của Bell Labs đặt ra vào tháng 5 năm 1948, khoảng một tháng trước khi Bell Labs chính thức công bố phát minh tranzito của 3 nhà phát minh Bardeen, Brattain và Shockley.

Các sản phẩm bóng bán dẫn được thương mại hóa rộng rãi trong những năm 50 của thế kỷ trước, sau khi Bell Labs cung cấp công nghệ sản xuất của họ cho các công ty khác, bao gồm General Electric và Transitron Electronics. Cuối năm 1954, hãng Texas Instruments Inc. cùng hợp tác với Hiệp hội Kỹ thuật phát triển công nghiệp, đã sản xuất ra đài bán dẫn đầu tiên. Chỉ một năm sau đó hãng Sony đã giới thiệu đài bán dẫn của riêng họ và bắt đầu phát triển thị trường cho sản phẩm này và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác có sử dụng bóng bán dẫn.

John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain tại Bell Labs, năm 1948.

Bardeen, Brattain và Shockley cùng nhận được giải Nobel Vật lý năm 1956, cho “các nghiên cứu của họ về chất bán dẫn và cho khám phá ra hiệu ứng bóng bán dẫn”. Bardeen nghe tin mình cùng Brattain và Shockley nhận giải Nobel vào sáng thứ năm, 1 tháng 11 năm 1956, khi ông đang chuẩn bị bữa sáng và nghe đài. Khi đang khuấy trứng, ông nghe phát thanh viên thông báo về giải Nobel Vật lý, Bardeen đánh rơi cả chảo và chạy vào phòng ngủ để báo tin cho vợ.

Giải thưởng Nobel năm 1956 có ý nghĩa rất quan trọng, vì nó đã đánh dấu một thắng lợi to lớn của khoa học ứng dụng mà lâu nay luôn bị gạt ra ngoài lề của giải thưởng Nobel danh giá. Nó đã biến mảng nghiên cứu hầu như dành cho chiến tranh-thiết bị điện tử trở thành lĩnh vực mới mẻ và đặc biệt là “khoa học vật liệu” như chúng ta biết đến hiện nay, là một nền tảng vững chắc để giải quyết các nút thắt chiến lược đối với sự phát triển của các vật liệu mới.

Có một giai thoại lý thú về Bardeen. Trong lễ trao giải Nobel ở Stockholm vào ngày 10 tháng 12 năm 1956, nhà vua Thụy điển hỏi thăm Bardeen về gia đình. Bardeen trả lời là ông chỉ mang một trong ba đứa con của mình đến dự lễ trao giải, vì hai đứa con khác đang học tại đại học Harvard nên ông không muốn làm các con bị gián đoạn việc học của mình. Nhà Vua nói với Bardeen rằng nếu họ gặp lại nhau lần nữa, ông mong muốn rằng Bardeen sẽ dẫn cả gia đình đi cùng để Vua có thể gặp được họ. Bardeen đã long trọng hứa với Vua là lần sau ông sẽ mang theo cả ba con đi cùng với ông. Nhưng chẳng một ai ngay cả ông lúc đó có thể tiên liệu được rằng ông sẽ được trao giải Nobel lần nữa, để mà ông có cơ hội thực hiện được lời hứa của mình.

Từ năm 1939, khi làm việc tại đại học Minnesota, Bardeen đã bắt đầu nghiên cứu về hiện tượng siêu dẫn. Trong báo cáo tại cuộc họp mùa xuân của Hiệp hội Vật lý Mỹ tại Washington DC vào tháng 5 năm 1941, Bardeen tóm tắt những gì có thể được mô tả là lời giải thích “sai lầm” đầu tiên của ông về hiện tượng siêu dẫn. Nhưng rồi công việc này bị gián đoạn trong thời chiến tranh. Trong thời gian cuối khi còn làm việc tại Bell Labs, ông bắt đầu quan tâm trở lại với đề tài này, sau khi ông được biết về việc phát hiện ra hiệu ứng đồng vị trong siêu dẫn. Từ năm 1951 đến 1975, Bardeen là giáo sư kỹ thuật điện tử và vật lý tại trường đại học Illiniois. Bardeen quyết định tập trung nghiên cứu về hiện tượng siêu dẫn.

Siêu dẫn là sự biến mất hoàn toàn của điện trở của vật liệu khi được làm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. Hiện tượng siêu dẫn do nhà vật lý Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes phát hiện vào năm 1911. Ông phát hiện ra rằng điện trở suất của thủy ngân biến mất đột ngột khi nó được làm lạnh dưới nhiệt độ khoảng 4 K (4 độ trên độ không tuyệt đối; âm 269 độ C). Ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1913 cho phát hiện này.

Vào năm 1957, dựa trên cơ học lượng tử, John Bardeen, Leon Neil Cooper (nghiên cứu viên trẻ sau khi tốt nghiệp tiến sĩ do Bardeen nhận vào nhóm) và John Robert Schrieffer (nghiên cứu sinh của Bardeen) đã xây dựng một lý thuyết cho hiện tượng siêu dẫn. Lý thuyết này nổi tiếng với tên „lý thuyết BCS”, với 3 chữ cái đầu của tên 3 người. Các điện tử cùng mang điện tích âm nên đẩy nhau. Ở nhiệt độ thấp tới hạn, dao động trong mạng tinh thể (phonon) có thể tạo ra một lực hút cực nhỏ đóng vai trò trung gian làm các điện tử liên kết thành cặp, bất chấp lực đẩy giữa chúng. Kết quả là, chuyển động của chúng trở nên có trật tự, không giống như chuyển động ngẫu nhiên ở điều kiện bình thường, và điện trở biến mất. Lý thuyết BCS được công bố lần đầu tiên vào tháng 4 năm 1957 trong bài báo ngắn tựa đề "Lý thuyết vi mô về hiện tượng siêu dẫn". Trong bài báo đầy đủ xuất bản tháng 12 năm 1957 tựa đề "Lý thuyết về siêu dẫn" đã nêu minh chứng rằng sự chuyển pha siêu dẫn là bậc hai, đã tái tạo hiệu ứng Meissner và đưa ra các phép tính về nhiệt dung và độ sâu xuyên thấu.

Năm 1972, cả 3 người được trao giải Nobel vật lý “cho phát triển chung về lý thuyết siêu dẫn, thường được gọi là lý thuyết BCS”.  Đây là giải Nobel thứ hai mà Bardeen được trao tặng. Ông trở thành 1 trong chỉ 4 người giành được hai giải Nobel. Và điều rất lý thú là vì thế ông đã thực hiện được lời hứa với Vua Thụy điển từ 16 năm trước: trong lễ trao tặng giải Nobel năm 1972, Bardeen đã mang theo cả ba con đến dự.

Khi một người chơi gôn hỏi đùa Bardeen là „Thành tích nào lớn hơn? Đạt một giải Nbel hay đánh được bóng gôn vào lỗ? Bardeen trả lời „Tất nhiên là những hai giải Nobel thì phải đáng giá hơn chỉ một bóng gôn trong lỗ rồi”.

Lý thuyết BCS là lý thuyết đầu tiên mô tả một cách rất thành công những tính chất vi mô của hệ siêu dẫn và nhiệt động lực học của hệ. Tuy nhiên lý thuyết BCS chỉ áp dụng được đúng đắn cho các chất siêu dẫn cổ điển (chủ yếu là kim loại và hợp chất kim loại) có nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn thấp (thấp hơn 23 K). Lý thuyết BCS không áp dụng được cho các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao là các hợp chất của đồng (cuprates) có cấu trúc chứa các mặt phẳng song song của ôxit đồng được khám phá từ năm 1986, như các hợp chất oxit ytri-bari-đồng (YBCO) với nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn cao hơn nhiệt độ Nitơ lỏng (cao hơn 80 K). Trong các vật liệu siêu dẫn dựa trên các hợp chất của sắt được phát hiện từ năm 2008, như hợp chất LaOFeAs, tính siêu dẫn không thuộc loại trung gian bởi các phonon, tức là không như lý thuyết BCS kỳ vọng. Mặt khác, thành tựu to lớn của lý thuyết BCS không chỉ là giải quyết vấn đề nổi cộm thách thức nhất trong vật lý cơ bản thời bấy giờ, nó đã thay đổi mô hình cơ bản trong vật lý chất rắn, vật lý hạt nhân, vật lý thiên văn và vật lý hạt, đồng thời mở đường cho rất nhiều ứng dụng thực tế của các thiết bị siêu dẫn.

John Bardeen, Leon Neil Cooper và John Robert Schrieffer năm 1974.

Năm 2007, Đại học Illinois đã tổ chức lễ kỷ niệm 50 năm sự ra đời của lý thuyết BCS. Nhân dịp đó, Chủ tịch hiệp hội vật lý Mỹ-Leo Kadanoff đã trao tặng cho Hiệu trưởng trường Illinois-Richard Herman tấm bảng kỷ niệm, trên đó có nội dung "Trong tòa nhà này, tòa nhà của Khoa Vật lý của Đại học Illinois từ năm 1909 đến năm 1959, John Bardeen, Leon N. Cooper và J. Robert Schrieffer đã xây dựng lý thuyết BCS về siêu dẫn, một thành tựu vĩ đại của vật lý lý thuyết, trong năm 1956-1957. Do thành tựu này, họ đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1972".

Trong khuôn viên của trường đại học Illinois, tại khu công nghệ mang tên Bardeen ở Urbana-Champaign. có đặt tấm bảng kỷ niệm lớn ghi: “Nhà vậy lý lý thuyết John Bardeen là người đầu tiên được trao tặng hai giải Nobel trong cùng một lĩnh vực. Giải Nobel thứ nhất năm 1956 cùng với Walter Brattain và William Shockley cho khám phá tranzito, thành phần cơ bản của công nghệ thông tin điện tử. Giải Nobel thứ hai tại đây-trường đại học Illinois vào năm 1972, cùng với Leon N. Cooper và J. Robert Schrieffer, cho giải trình về siêu dẫn, trạng thái của vật chất lần đầu tiên quan sát vào năm 1911 trong đó vật chất bị mất điện trở tại nhiệt độ thấp. Lý thuyết BCS, được tuyên bố vào năm 1957 và dựa trên mô hình trong đó điện tử liên kết thành cặp, giải thích các qui trình cơ bản trong vật lý chất rắn, vật lý hạt nhân, vật lý thiên văn và vật lý hạt”.

Bảng kỷ niệm trong khu công nghệ mang tên Bardeen tại trường đại học Illinois có ghi về hai giải Nobel của ông.

Ngoài hai giải Nobel, Bardeen nhận được rất nhiều các giải thưởng danh giá nữa, trong đó có Huân chương quốc gia về khoa học, bảng vàng về thành tựu của viện hàn lâm Mỹ.

Năm 2008, nhân dịp kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Bardeen, bưu điện Mỹ đã phát hành loạt tem với chân dung 4 nhà khoa học Mỹ để ghi nhận những thành tựu khoa học ấn tượng nhất của thế kỷ 20:  nhà vật lý lý thuyết John Bardeen (1908-1991), nhà sinh hóa học Gerty Cori (1896-1957), Nhà thiên văn học Edwin Hubble (1889-1953), Nhà hóa học Linus Pauling (1901-1994).

Tem do bưu điện Mỹ phát hành năm 2008 có chân dung của 4 nhà khoa học có thành tựu khoa học ấn tượng nhất của thế kỷ 20.

Đóng góp của Bardeen trong việc phát triển và mở rộng lĩnh vực vật lý chắt rắn là vô giá.Không những thế, ông còn có ảnh hưởng rất lớn đối với với ngành công nghiệp. Trong nhiều năm, ông là cố vấn cho nhiều hãng lớn như hãng in Xerox, General Electric, Texas Instruments, và chuyên gia tư vấn cho Sony.

Ảnh và tài liệu tham khảo: internet