Opinion · Un poco de ciencia, por favor

John Bardeen, el único científico que ha obtenido dos Premios Nobel de física

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

Durante los meses de noviembre y diciembre de 1947, hace ahora 70 años, en los Bell Labs, laboratorios de investigación de una compañía privada (A. T. & T., el gigante de las telecomunicaciones de EEUU en aquellos años) se dio a conocer uno de los dispositivos que más ha cambiado nuestra vida cotidiana: el transistor. Ese invento se lo debemos a tres científicos, uno de los cuales fue John Bardeen (1908-1991) – los otros dos fueron Wiliam B. Shockley (1910-1989) y Walter H. Brattain (1902-1987) −. En este artículo describiré el papel que jugó Bardeen en la invención del transistor, así como sus principales contribuciones a otras ramas de la física [1].

Además de su participación decisiva en la invención del transistor, le debemos también –esta vez, junto con Leon N. Cooper (1930- ) y John R. Schrieffer (1931- )− la explicación teórica de la superconductividad, un fenómeno que trajo de cabeza a la comunidad científica durante décadas. Por ambos hechos recibió el Premio Nobel de física en 1956 y 1972, respectivamente. Ha habido otros científicos que obtuvieron dos Premios Nobel [2], pero Bardeen ha sido el único en obtenerlo las dos veces en física. En este sentido, puede considerarse a John Bardeen un verdadero genio. Ahora bien, ¿a quien consideramos un genio científico? ¿qué nombres de científicos vienen a la cabeza? ¿se encuentra entre ellos el nombre de John Bardeen? más aún ¿alguna vez se ha oído en algún programa de radio o televisión ese nombre?.

Ninguna de las características que se invocan habitualmente al pensar en una figura catalogada de genio, como por ejemplo Albert Einstein (fuerte personalidad, gran carisma, gusto por el reconocimiento del público, etc.), formaron parte de la personalidad de Bardeen. Al contrario, Bardeen era un hombre con unas características personales muy modestas. Fue un gran trabajador, con unas dotes excepcionales para la física y las matemáticas y aunque trabajó como profesor durante casi 40 años en la Universidad de Illinois, sus vecinos lo recordaron casi exclusivamente por organizar comidas al aire libre donde cocinaba para sus amigos, muchos de los cuales desconocían sus logros en la universidad. No alardeaba  de su trabajo ni hablaba de él fuera de su reducido núcleo profesional y familiar, por lo que los medios de comunicación generalistas y en consecuencia el público no especializado desconocían por completo la importancia y trascendencia de su trabajo.

 John Bardeen. Imagen: John Bardeen, Biography.com

1. Los comienzos de 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 y el trabajo. Su trayectoria universitaria se inició en la Universidad de Wisconsin-Madison, donde estudió ingeniería eléctrica entre 1923 y 1928. Continuó en esta universidad los siguientes dos años, en calidad de asistente de investigación graduado en ingeniería eléctrica, trabajando en problemas matemáticos de geofísica y de 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 sondas magnéticas y gravimétricas, tratando de resolver problemas vinculados a las prospecciones petrolíferas. No obstante, sus intereses estaban más cerca de las ciencias puras que de 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, donde obtuvo el doctorado en 1936.

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 (1882-1961, Premio Nobel en 1946).

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.


2. El primer premio Nobel: la invención del transistor

Tras finalizar la Guerra en 1945, Bardeen se fue a trabajar a los Bell Telephone Laboratories, donde realizó trabajos de investigación en semiconductores, interesándose especialmente en los procesos de conducción de la corriente eléctrica en estos materiales, que en aquellos tiempos eran novedosos y bastante desconocidos. Durante los últimos meses del año 1947, desarrolló el transistor junto a su compañero Walter Brattain, un dispositivo que puso en marcha una verdadera revolución en la electrónica. La contribución esencial de Bardeen al éxito de la invención se concreta 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 en mayo de 1947, de manera clara, 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.

La historia del descubrimiento del transistor es intrincada y los egos personales y rivalidades profesionales de algunos de los miembros del grupo, en especial del líder, Shockley, salieron a relucir en este tiempo; esa historia se puede seguir con gran detalle en este excelente vídeo:

El transistor se utiliza para controlar y regular una corriente muy grande mediante una muy pequeña. Se puede establecer una analogía de su principio de operación con el funcionamiento de una pala excavadora: mediante una pequeña fuerza, que es la que realiza el operario desde su cabina de control, se pueden mover pesos enormes. Esta operación es la que realiza un transistor con corrientes eléctricas: toda la acción del dispositivo está basada en el control que ejerce una corriente pequeña (la que circula por un terminal denominado base) sobre una corriente grande (la que circula por otro terminal, el colector). Este control permite realizar infinidad de operaciones esenciales en dispositivos y circuitos electrónicos, que son la base del funcionamiento de ordenadores, televisores, teléfonos fijos y móviles, radares, etc. La figura muestra el símbolo que se utiliza en electrónica pare representar el dispositivo:

Todo el esfuerzo realizado en aquellos años por el equipo de los Bell Labs fue reconocido algunos años después, al recibir los tres el Premio Nobel de física de 1956. Se cuenta que 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, como veremos.  El siguiente vídeo muestra los momentos clave de la ceremonia de entrega de los premios:


3. El segundo premio Nobel: la teoría BCS de la superconductividad

Bardeen dejó los Bell Labs en 1951, año en que fue contratado por la Universidad de Illinois. Su trabajo en el departamento de física proporcionó unos resultados espléndidos, ya que fue uno de los científicos que consiguió desarrollar una teoría que logró explicar el complejo fenómeno conocido con el nombre de superconductividad, que de manera muy simplificada consiste en que cuando ciertos metales se enfrían a temperaturas extremadamente bajas, conducen la corriente eléctrica sin resistencia de ningún tipo, ya que en el estado superconductor la resistencia eléctrica se anula completamente, fluyendo la corriente sin ningún efecto disipativo.

Esta teoría la concibieron en 1957 tres científicos: el propio Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer y se conoce desde entonces como teoría BCS, por las iniciales de sus apellidos. La teoría BCS, basada en principios de mecánica cuántica, fue todo un triunfo para la física teórica, al poder explicar satisfactoriamente la superconductividad, que había sido descubierto en 1911 por el científico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926, Premio Nobel de física de 1913), pero que en el intento de entenderla y explicarla habían fracasado varios de los mejores físicos teóricos del mundo, entre los que se encuentran nombre tan célebres como A. Einstein, N. Bohr, R. Feynman o W. Heisenberg. Publicaron su teoría en la revista Physical Review el día 1 de diciembre de 1957, hace ahora 61 años. Este es el resumen de su artículo, tal y como puede leerse en la primera página del texto:

Resumen del artículo Phys. Rev. 108, 1175 (1957), donde Bardeen, Cooper y Schrieffer explicaron la Teoría BCS de la superconductividad. Imagen: Physical Review Journals Archive

En términos muy simplificados, la teoría BCS establece que a muy bajas temperaturas, la interacción entre los electrones y los átomos que conforman la estructura cristalina de ciertos metales hace que los electrones se emparejen unos con otros, dando lugar a lo que se conocen como pares de Cooper. Como resultado, su movimiento se vuelve ordenado, a diferencia del movimiento aleatorio a temperaturas normales, y la resistencia eléctrica desaparece, —en términos más técnicos, se dice que a esas temperaturas, su movimiento está “fuertemente correlacionado”—. Bajo estas condiciones de temperatura, ambas electrones del par se comportan como si se atrajeran, pese a tener ambos carga de igual signo, debido a que interaccionan entre sí a través de la red cristalina formada por los iones positivos del metal. Los pares de Cooper solo se forman a bajas temperaturas; al añadirles energía, es decir, al calentarlos, se rompen y el material vuelve a presentar un estado normal no superconductor. La siguiente figura muestra un esquema explicativo del funcionamiento de los pares de Cooper, en la que se basa la teoría BCS:

Ilustración esquemática del funcionamiento de los pares de Cooper. Izquierda: a temperaturas por encima de la temperatura crítica (que suele ser de muy pocos grados Kelvin), los átomos de una red metálica están ordenados en sus posiciones de equilibrio. Derecha: por debajo de la temperatura crítica, el paso de un electrón distorsiona la red, creando una zona local de carga positiva que atrae a un segundo electrón, formándose el par de Cooper. Fuente de la figura: elaboración propia, adaptada de este texto.

La explicación detallada de la teoría BCS queda fuera del alcance y objetivos de este artículo, pero el lector interesado la puede encontrar en este artículo. Aunque la teoría BCS tiene numerosas lagunas, ya que no puede explicar los denominados superconductores de alta temperatura crítica, se considera un verdadero éxito de la física teórica. Por esta teoría, los tres recibieron el Premio Nobel de física de 1972. En la ceremonia de entrega de este segundo premio, Bardeen llevó a todos sus hijos para que conocieran al rey, cumpliendo la promesa realizada 16 años antes [3].

Los premiados con el Nobel de física de 1972 por la teoría BCS. Iquierda, J. Bardeen, Centro, L. N. Cooper. Derecha: J. R. Schrieffer. Imagen: Nobel Prize.org

4. Epílogo

Bardeen murió de un ataque al corazón en Boston, Massachusetts, el 30 de enero de 1991. El impacto que la obra de Bardeen ha tenido en nuestra vida cotidiana lo reflejó muy bien el editorial que el diario Chicago Tribune le dedicó el 3 de febrero de 1991, pocos días después de su muerte:

“Cerca del final de esta década, cuando se comiencen a enumerar los nombres de las personas que tuvieron gran influencia en el siglo XX, el nombre de John Bardeen, que falleció la semana pasada, tendrá que estar cerca, o tal vez incluso en la parte superior de la lista…El Sr. Bardeen compartió dos Premios Nobel y ganó numerosos otros honores. Pero qué mayor honor puede haber cuando cada uno de nosotros puede mirar a nuestro alrededor y en todas partes ver los recordatorios de un hombre cuyo genio ha hecho nuestras vidas más largas, más sanas y mejores“.

Hagan el siguiente ejercicio: piensen en un día cualquiera de su vida cotidiana, piensen en la cantidad de aparatos que utilizan en una jornada laboral: despertador, teléfono móvil, vehículos de todo tipo, ordenadores, televisores, receptores de radio, etc. En todos ellos hay transistores, en todos ellos está la huella de John Bardeen.

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[1] Recientemente publiqué una versión reducida de esta biografía en OpenMind.

[2] Marie Curie (1867-1934) ganó el de Física en 1903 y el de Química en 1911, Linus Carl Pauling (1901-1994) el de Química en 1954 y el de la Paz en 1962 y Frederick Sanger (1918-2013) el de Química en 1958 y en 1980.

[3] Para conocer más detalles de la personalidad de John Bardeen, recomiendo la lectura del excelente texto que Laura Morrón dedicó su la vida y su obra, publicado en su blog “Los mundos de Brana