John Bardeen
Fiche rapide
- Nom : John Bardeen
- Naissance : 23 mai 1908, Madison, Wisconsin
- Décès : 30 janvier 1991, Boston, Massachusetts
- Nationalité : américaine
- Formation : University of Wisconsin puis Princeton University
- Domaines : physique du solide, semi-conducteurs, supraconductivité
- Bell Laboratories : 1945-1951
- Contribution majeure : transistor à pointes de contact avec Walter Brattain
- Autre contribution majeure : théorie BCS avec Leon Cooper et Robert Schrieffer
- Prix Nobel de physique : 1956 et 1972
1908 : de l’ingénierie à la physique quantique
John Bardeen naît le 23 mai 1908 à Madison, dans le Wisconsin. Très doué en mathématiques, il choisit d’abord une formation d’ingénieur électricien à l’Université du Wisconsin.
Il obtient son diplôme en 1928 puis travaille quelques années sur des problèmes mêlant électromagnétisme, mathématiques et géophysique, notamment pour la prospection pétrolière.
Il se tourne ensuite vers la physique fondamentale et rejoint Princeton. Il y étudie la mécanique quantique appliquée aux solides et obtient son doctorat en 1936.
Cette double formation d’ingénieur et de théoricien sera déterminante : Bardeen cherche des modèles capables d’expliquer précisément le comportement réel des matériaux.
1945 : Bardeen rejoint Bell Labs
Après la Seconde Guerre mondiale, Bardeen rejoint les Bell Telephone Laboratories en 1945.
Bell Labs cherche alors à développer des composants solides capables de remplacer certaines fonctions des tubes à vide, notamment l’amplification et la commutation des signaux électriques.
L’équipe travaille sous la direction de William Shockley. Bardeen apporte ses compétences théoriques tandis que Walter Brattain maîtrise particulièrement bien les expérimentations sur les surfaces de semi-conducteurs.
Cette complémentarité va conduire à l’une des inventions majeures du XXe siècle.
1947 : comprendre ce qui bloque le transistor
Shockley avait imaginé qu’un champ électrique pourrait modifier directement la conduction d’un semi-conducteur. Pourtant, les expériences ne donnent pas les résultats attendus.
Bardeen identifie alors le problème : des états électroniques présents à la surface du matériau peuvent capturer des charges et empêcher le champ électrique de pénétrer correctement dans le cristal.
Il publie cette explication en mai 1947. Ce résultat théorique va immédiatement orienter les expériences de Bardeen et Brattain dans une autre direction.
Ils cherchent désormais à agir directement sur les charges situées près de la surface du semi-conducteur.
16 décembre 1947 : le premier transistor fonctionne
Après plusieurs semaines d’expériences, Bardeen et Brattain obtiennent un résultat décisif le 16 décembre 1947.
Sur un petit morceau de germanium, ils placent deux contacts en or extrêmement rapprochés. Un signal appliqué sur l’un modifie le courant recueilli par l’autre et, surtout, le signal ressort amplifié.
Le 23 décembre, ils présentent leur dispositif aux responsables de Bell Labs.
Le premier transistor à pointes de contact est né.
L’invention est cependant collective. Bardeen apporte notamment l’explication théorique des états de surface, Brattain réalise avec lui les expériences décisives et Shockley dirige le programme de recherche. Quelques semaines plus tard, Shockley développera de son côté le principe du transistor à jonction, mieux adapté à une fabrication industrielle.
Le transistor va progressivement remplacer le tube à vide et devenir une brique fondamentale de l’électronique moderne. Sa miniaturisation conduira ensuite au circuit intégré.
1951 : Bardeen quitte Bell Labs
Après la découverte du transistor, les relations au sein de l’équipe se détériorent. Shockley travaille sur le transistor à jonction et contrôle davantage les recherches du groupe.
Bardeen estime progressivement que cette situation limite sa liberté scientifique. En 1951, il quitte donc Bell Labs pour rejoindre l’University of Illinois à Urbana-Champaign, où il devient professeur de physique et d’ingénierie électrique.
Ce départ lui permet de revenir à un problème qui l’intéresse depuis plusieurs années : la supraconductivité.
Un mystère connu depuis 1911
La supraconductivité est observée depuis 1911. Lorsqu’on refroidit certains matériaux à très basse température, leur résistance électrique chute brutalement jusqu’à devenir pratiquement nulle.
Un courant peut alors circuler sans les pertes ordinaires dues à l’effet Joule.
Le phénomène est bien connu expérimentalement, mais pendant plus de quarante ans, les physiciens ne disposent d’aucune explication microscopique satisfaisante.
À l’Université de l’Illinois, Bardeen travaille avec deux jeunes chercheurs : Leon Cooper et J. Robert Schrieffer.
1957 : la théorie BCS explique la supraconductivité
Leon Cooper montre qu’à très basse température, l’interaction entre les électrons et les vibrations du réseau cristallin peut provoquer une attraction effective entre deux électrons, malgré leur répulsion électrique habituelle.
Ces électrons peuvent alors former des paires de Cooper.
Robert Schrieffer trouve ensuite le moyen de décrire mathématiquement le comportement collectif d’un très grand nombre de ces paires.
En 1957, Bardeen, Cooper et Schrieffer publient une théorie complète de la supraconductivité conventionnelle. Elle prend le nom de ses trois auteurs :
Bardeen – Cooper – Schrieffer → BCS.
Dans cette théorie, les paires d’électrons forment un état quantique collectif cohérent qui permet au courant de circuler sans subir les mécanismes ordinaires responsables de la résistance électrique.
La théorie BCS explique également plusieurs propriétés expérimentales jusque-là mystérieuses, notamment l’existence d’un gap d’énergie entre l’état normal et l’état supraconducteur.
Deux prix Nobel de physique
1956 : le transistor
Alors que Bardeen travaille déjà sur la supraconductivité, il reçoit en 1956 son premier prix Nobel de physique avec Walter Brattain et William Shockley.
Le comité récompense leurs recherches sur les semi-conducteurs et la découverte de l’effet transistor.
1972 : la théorie BCS
Quinze ans après la publication de leur théorie, John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer reçoivent à leur tour le prix Nobel de physique en 1972.
Bardeen devient ainsi la première et toujours la seule personne à recevoir deux fois le prix Nobel de physique.
Les deux récompenses correspondent à des travaux très différents : le premier accompagne une révolution technologique, tandis que le second résout l’un des grands problèmes théoriques de la physique du solide.
« Whispering John » : un scientifique particulièrement discret
La personnalité de Bardeen contraste fortement avec l’importance de ses découvertes.
Il parle peu et souvent très doucement. Certains étudiants de l’Université de l’Illinois le surnomment ainsi « Whispering John », « John le murmure ».
Ses collègues décrivent un homme calme, méthodique et peu attiré par la célébrité. Il privilégie le travail collectif et les échanges scientifiques aux apparitions médiatiques.
Cette discrétion explique probablement en partie pourquoi son nom reste moins connu du grand public que celui de Shockley, alors que ses contributions scientifiques sont exceptionnelles.
Du transistor au microprocesseur
L’impact de Bardeen sur l’histoire de l’informatique passe principalement par le transistor.
Les premiers transistors restent des composants individuels. Cependant, leur petite taille permet bientôt d’en fabriquer plusieurs sur une même puce. Le circuit intégré apparaît à la fin des années 1950.
Puis, au début des années 1970, l’intégration de milliers de transistors permet de réunir les fonctions principales d’un processeur sur une seule puce : le microprocesseur.
La progression est donc directe :
tube à vide → transistor → circuit intégré → microprocesseur.
L’invention à laquelle Bardeen participe en 1947 se retrouve ainsi, sous une forme miniaturisée, au cœur de tous les ordinateurs modernes.
Un héritage scientifique exceptionnel
John Bardeen poursuit ses recherches à l’Université de l’Illinois pendant plusieurs décennies. Il meurt le 30 janvier 1991 à Boston, à l’âge de 82 ans.
Son parcours réunit deux contributions qui auraient chacune suffi à assurer sa place dans l’histoire des sciences.
Avec le transistor, il participe à une révolution technologique qui rend possibles les circuits intégrés, les microprocesseurs et l’informatique moderne. Avec la théorie BCS, il contribue à résoudre un problème fondamental de physique resté sans explication satisfaisante pendant plus de quarante ans.
John Bardeen incarne ainsi une forme particulièrement discrète du génie scientifique : observer les expériences, identifier le mécanisme caché et construire une théorie capable d’expliquer ce que les autres ne comprennent pas encore.
Repères chronologiques
- 23 mai 1908 : naissance de John Bardeen à Madison, Wisconsin.
- 1928 : diplôme d’ingénieur électricien à l’Université du Wisconsin.
- 1936 : doctorat à Princeton.
- 1945 : entrée aux Bell Telephone Laboratories.
- Mai 1947 : publication de ses travaux sur les états de surface des semi-conducteurs.
- 16 décembre 1947 : Bardeen et Brattain obtiennent l’amplification avec leur dispositif au germanium.
- 23 décembre 1947 : présentation du transistor aux responsables de Bell Labs.
- 1951 : départ de Bell Labs pour l’Université de l’Illinois.
- 1956 : premier prix Nobel de physique avec Walter Brattain et William Shockley.
- 1957 : publication de la théorie BCS avec Leon Cooper et Robert Schrieffer.
- 1972 : deuxième prix Nobel de physique.
- 30 janvier 1991 : mort de John Bardeen à Boston.
Sources et références
- Nobel Foundation, biographies de John Bardeen et prix Nobel de physique 1956 et 1972.
- Computer History Museum, The Silicon Engine, histoire du transistor à pointes de contact.
- American Physical Society, travaux de Bardeen sur les états de surface et publications BCS de 1957.
- University of Illinois Urbana-Champaign, archives consacrées à John Bardeen et à la théorie BCS.
- Lillian Hoddeson et Vicki Daitch, True Genius: The Life and Science of John Bardeen.
