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30 octubre 2017

John Bardeen: 2 Nobel de Física y 1 transistor

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En un artículo anterior, describí la figura de William Shockley (1910-1989), uno de los padres del transistor, invención que logró en compañía de otros dos científicos: John Bardeen (1908-1991) y Walter H. Brattain (1902-1987). En este texto, describo la biografía científica de Bardeen, el único científico que, hasta la fecha, ha recibido dos premios Nobel de física.

Una carrera académica brillante

John Bardeen nació el 23 de mayo de 1908 en Madison (Wisconsin), en el seno de una familia amante del esfuerzo, el trabajo y la dedicación a la sociedad. Su trayectoria universitaria se inició en la Universidad de su ciudad natal, donde estudió ingeniería eléctrica entre 1923 y 1928. Posteriormente, continuó en la misma universidad dos años como ayudante de investigación, trabajando en problemas matemáticos de geofísica aplicada y en radiación de antenas.

Durante el período comprendido entre 1930 y 1933, Bardeen trabajó en los laboratorios de investigación de la compañía petrolífera Gulf Research, desarrollando métodos para interpretar las señales generadas por diversos tipos de sondas (magnéticas y gravitatorias, principalmente). No obstante, sus intereses estaban más cerca de las ciencias puras antes que en la parte aplicada de las mismas, razón por la cual abandonó la Gulf en 1933 para graduarse en física matemática en la Universidad de Princeton.

John Bardeen, en los años en los que trabajaba en los Bell Labs/ Imagen:

Entre 1935 y 1938 disfrutó de una beca de investigación en la Universidad de Harvard, donde trabajó con dos futuros premios Nobel en física John Hasbrouck van Vleck (1899-1980, Premio Nobel en 1977) y Percy Williams Bridgman (Premio Nobel en 1946). En 1936 obtuvo el doctorado por la Universidad de Princeton.

Durante los años de la Segunda Guerra Mundial trabajó como físico civil en el Laboratorio Naval de Artillería (Washington, D.C.), en temas relacionados con la guerra antisubmarina.

Un Nobel por el transistor

Tras finalizar la Guerra en 1945, Bardeen se incorporó a los Bell Telephone Laboratories, donde realizó trabajos de investigación en semiconductores, específicamente en cómo conducen la corriente eléctrica estos materiales, novedosos en aquellos años. Durante el año 1947, junto con Shockley y Brattain, desarrollaron el transistor, un dispositivo que puso en marcha una verdadera revolución en la electrónica. El transistor surgió como respuesta al problema de sustituir las pesadas y frágiles válvulas de vacío que utilizaban los sistemas de telefonía de la época por un dispositivo más ligero y fiable que estas, requisitos que el transistor cumplía con creces.

La contribución esencial de Bardeen al éxito de la invención estriba en que fue capaz de entender los problemas que planteaba la superficie del semiconductor que servía de soporte de la estructura para el correcto funcionamiento del dispositivo. Bardeen formuló de manera elegante e irrefutable la acción limitadora de los denominadas estados electrónicos de superficie sobre la conducción de los portadores de carga en el dispositivo, lo que abrió el camino decisivo para buscar vías que minimizaran su efecto, tarea en la que el tercer integrante del grupo, Brattain, tuvo un papel relevante. Sin la comprensión de ese fenómeno, el transistor se habría conseguido sin duda, pero varios años después de la fecha de su invención.

Los tres ganadores del Nobel de Física de 1956 /Imagen: Copyright © The Nobel Foundation

Básicamente, el transistor permite controlar y regular una corriente muy grande mediante una muy pequeña. Aunque el detalle del funcionamiento del dispositivo es difícil de explicar en términos no especializados, se puede hacer un símil de su principio de operación con el de una pala excavadora: mediante una pequeña fuerza, que es la que realiza un operario desde la cabina de control, se pueden mover pesos enormes, como el de la tierra o escombros que contiene la pala. Esta operación es la que realiza un transistor con corrientes eléctricas. En efecto, toda la acción del dispositivo está basada en el control que ejerce una corriente pequeña (a que circula por un terminal del dispositivo, denominado base), sobre una corriente grande (la que circula por otro, denominado colector). Este control permite realizar gran número de operaciones esenciales en circuitos electrónicos: amplificadores, osciladores, conversores AD-DA, etc., que a su vez, son la base del funcionamiento de multitud de equipos presentes en nuestra vida diaria tales como ordenadores, televisores, teléfonos fijos y móviles, radares, etc.

La superconductividad de Bardeen

Todo el esfuerzo realizado en aquellos años por el equipo de los Bell Labs fue reconocido tiempo después, al recibir los tres el premio Nobel de física de 1956. Hay una curiosa anécdota relacionada con Bardeen: cuando el rey Gustavo VI Adolfo de Suecia estaba entregando los premios Nobel, preguntó a Bardeen por su familia, a lo que este respondió que sólo había venido a la entrega del premio con uno de los tres hijos que tenía, porque los otros dos estaban estudiando en la Universidad de Harvard y no quería que interrumpieran sus estudios por algo así. El rey se quedó asombrado ante la respuesta y le dijo a Bardeen que, si alguna vez se volvían a ver, le obligaría a traer a toda su familia para conocerlos, cosa que el aludido prometió firmemente, promesa que tuvo que cumplir 16 años después. En efecto, a Bardeen debemos también –esta vez, junto con Leon N. Cooper (1930- ) y John R. Schrieffer (1931- )− la teoría de la superconductividad, un fenómeno que trajo de cabeza a la comunidad científica durante décadas. Por este segundo logro, también recibió el premio Nobel de física en 1972, siendo el único científico que ha recibido dos veces este galardón en física.  En la ceremonia de entrega del segundo premio, Bardeen llevó a todos sus hijos para que conocieran al rey, cumpliendo la promesa realizada 16 años antes.

Durante la ceremonia de entrega del premio Nobel de 1956, saludando al Rey Gustavo VI Adolfo de Suecia. Detrás de él, Walter Brattain, otro de los premiados.

Epílogo

Las palabras finales de su charla del premio Nobel de 1956 son muy elocuentes acerca de su humildad y de su visión de los problemas que abordó durante su vida:

“Tuvimos la suerte de estar involucrados en un momento particularmente oportuno y añadir otro pequeño paso en el control de la Naturaleza para el beneficio de la humanidad”

Murió de un ataque al corazón el 30 de enero de 1991, pocos días después de publicar el último artículo de su vida, en diciembre de 1990 en la revista Physics Today. La obra de Bardeen cambió el mundo mucho más que los hallazgos de otros científicos de su tiempo, pero muy pocas personas conocen su nombre y su obra.Ojalá este artículo logre reparar, aunque sea limitadamente, esa carencia.

Ignacio Mártil.

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

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