晶体管计算机|晶体管发明人曾在实验室受排挤，但没人能阻止他两获诺奖( 二 )
经过巴丁的再次计算 ， 他们决定制造“点接触晶体管” 。 在随后的多次试验中他们发现：锗半导体上两根金属丝的接触点靠得越近 ， 就越有可能引起电流的放大 。 这需要在晶体表面安置两个大约相距只有5×10-3厘米的触点 。
布拉顿有信心克服这最后一道难关 ， 他找来一块三角形的厚塑料版 ， 从尖尖的顶角朝三角形的两边贴上了一片金箔 ， 又小心仔细地用锋利的刀片在顶角的金箔上划了一道细痕 ， 然后将三角塑料版用弹簧压紧在半导体锗的表面上 。 最后 ， 将一分为二的金箔两边分别接上导线 ， 作为发射极和集电极 。 加之金属基底引出的基极 ， 总共三条线 ， 将它们分别接到了适当的电源和线路上 。
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图3：点接触晶体管
1947年12月16日 ， 他们终于观察到两个触点间的电压增益为100倍的数量级 ， 第一个晶体管就此诞生了！从图3中可见 ， 这个划时代的发明——“三条腿的魔术师”原始而笨拙 ， 显得不是那么漂亮 。
但很快地 ， 巴丁、布拉顿与肖克利之间 ， 发生了一些不愉快的纠葛 。 一个月之后 ， 肖克利自己又发明了一种全新的、能稳定工作的“P-N结型晶体管” 。 总之 ， 晶体管的发明成为人类微电子革命的先声 ， 也使得三人后来共同获得了1956年诺贝尔物理学奖 。
但在肖克利对两人研究工作无理的限制和打压下 ， 三人分道扬镳：巴丁1951年接受了伊利诺伊大学香槟分校的教职 ， 转向他很早就想做的超导研究 。 布拉顿留守贝尔实验室 ， 但转到了另外的部门 。 再后来 ， 肖克利自己到加州创建硅谷 ， 招聘人才 ， 在硅谷点燃了晶体管发明的人类文明之火！
BCS超导理论
从1950年开始 ， 巴丁开始考虑超导问题 ， 攀向另一个科学高峰 。 超导现象指的是一些导体的电阻在温度下降接近绝对零度时会突然消失成为没有电阻的超导体的奇特现象 。
众所周知 ， 材料在导电过程中会消耗能量 ， 表现为材料的电阻 。 电阻越大 ， 消耗能量越多 。 一般而言 ， 电阻随着环境温度的降低而减小 。 1911年 ， 荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Onnes ， 1853-1926）发现水银样品以及其他的一些金属 ， 在低温（4K左右）时电阻消失等于0 ， 这被称为超导现象 。 昂内斯因此获得了1913 年的诺贝尔物理学奖 。
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图4：超导基本特性
超导的应用领域包括：医院里的核磁共振成像、加速器、磁悬浮以及核聚变研究等 。 低温超导的第一个理论是1935年弗里茨·伦敦（Fritz London ， 1900-1954）和海因茨·伦敦（Heinz London ， 1907-1970）两兄弟提出的伦敦方程 。 后来 ， 前苏联物理学家朗道（Lev Davidovich Landau ， 1908-1968）和金茨堡（Vitaly Lazarevich Ginzburg ， 1916-2009） ， 以朗道的二级相变（Second order phase transition）和对称破缺理论（Broken-symmetry）为基础 ， 导出了著名的金茨堡-朗道方程（Ginzburg–Landau theory） ， 成功地计算出了超导体的许多特性[4] 。 朗道因车祸1962年在病房中被授予诺贝尔物理学奖；之后 ， 金茨堡于87岁高龄被授予2003年的诺贝尔物理学奖 。
巴丁的研究偏向超导现象的微观物理机制 。 到了伊利诺伊大学香槟分校几年后 ， 巴丁和利昂·库珀（Leon Cooper ， 1930-）、约翰·施里弗（John Robert Schrieffer ， 1931-2019）三人提出了以他们名字第一个字母命名的BCS理论[5] ， 解释了超导现象的微观机理 ， 之后这个理论被称为是超导现象的常规解释 。 BCS理论认为：靠晶格振动 ， 即声子的耦合 ， 使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零、总自旋为零的库珀对 。 电子是费米子 ， 而两个电子组成的库珀对则可以是玻色子 ， 低温下能形成玻色-爱因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）而集聚成超导大电流 。 学界认为 ， BSC理论基本解释了低温下的超导现象 ， 三位学者也因此而获得1972年的诺贝尔物理学奖 。
电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力 。 如果仅仅存在库仑力直接作用的话 ， 电子不能形成配对 。 但BCS理论认为 ， 电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用 。 电子声子间的这种相互作用在满足一定条件时 ， 可以是相互吸引的 ， 正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生 。 在很低的温度下 ， 库珀对的结合能可能高于晶格原子振动的能量 。 这样 ， 电子对将不会和晶格发生能量交换 ， 也就没有了电阻 ， 形成所谓的“超导” 。
巴丁、库珀和施里弗建立的BCS理论 ， 是解释常规超导体的超导电性的微观理论 ， 所以也常意译为超导的微观理论[6] 。
参考资料：
[1] 张天蓉.《电子 ， 电子!谁来拯救摩尔定律》[M].北京:清华大学出版社 ， pp.41-60, 2014年11月
[2] Michael Riordan and Lillian Hoddeson. "Crystal FIre". [M]. W. W. Norton and Co. 1997.
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