約翰·巴丁（John Bardeen）是一位美國物理學家和工程師，他是歷史上唯一一個兩度獲得諾貝爾物理學獎的人：第一次是在1956年，他與威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓一起發明電晶體；第二次是在1972年，他與利昂·庫珀和約翰·施里弗一起發明BCS理論，這是一種解釋傳統超導現象的基本理論。

電晶體徹底改變了電子工業，使從電話到電腦的幾乎所有現代電子設備的發展成為可能，並開創了資訊時代。巴丁在超導方面的發展使他獲得第二個諾貝爾獎，它被用於核磁共振光譜、醫學磁共振成像和超導量子電路等。

電晶體

故事發生在1947年12月16日，那是一個寒冷的冬天。巴丁和布拉頓正在實驗室里忙碌著，他們想要用半導體材料來製造一種新型的放大器，替代當時使用的真空電子管。他們用一個塑料楔子將兩個金屬觸點固定在一塊純鍺片上，然後用電壓來調節觸點之間的電流。他們發現，當其中一個觸點上加上一個微弱的信號時，另一個觸點上的電流就會隨之變化，從而實現了信號的放大。

這是一個驚人的發現，他們立刻通知了他們的領導肖克利。肖克利是一個理論物理學家，他早在1945年就提出了用半導體來製造放大器和開關的想法，但他自己沒有成功地實現它。他對巴丁和布拉頓的實驗感到非常興奮，也有些嫉妒。他認為這是一件「了不起的聖誕禮物」。

一周後，他們向實驗室的管理層演示了這個新奇的器件，引起了轟動。這個器件被電子工程師約翰·皮爾斯（John Pierce）命名為「電晶體」。電晶體比真空電子管更小、更便宜、更耐用、更節能，它開啟了微電子技術的新時代。1948年6月30日，貝爾實驗室在紐約召開了新聞發布會，向公眾披露了這項革命性的發明。

1956年，巴丁、布拉頓和肖克利因為電晶體的發明而獲得了諾貝爾物理學獎。他們被譽為「微電子之父」，他們的貢獻對於人類社會的進步有著深遠的影響。

BCS理論

超導現象是指某些金屬或合金在極低的溫度下，其電阻會完全消失，電流可以在其間無損耗地流動的現象。這種現象於1911年由荷蘭物理學家昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）在實驗室中首次發現。他將汞冷卻到4.2K以下，發現其電阻突然降為零。

超導現象不僅具有重要的基礎物理意義，也有廣泛的應用前景。例如，利用超導材料可以製造強大的磁體、高效的傳輸線、靈敏的傳感器等。然而，超導現象的微觀機理長期以來一直是一個難題。為什麼某些材料在低溫下會失去電阻？這個問題一直困擾著物理學家。

直到1957年，美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗提出了一個劃時代的理論，為常規超導現象提供了一個令人滿意的解釋。這個理論以這三位科學家姓名的首字母命名為BCS理論。

BCS理論把超導現象看作一種宏觀量子效應。它提出，在低溫下，電子之間存在一種微弱的吸引力，使得一對動量相反、自旋反向的電子形成一個庫珀對。這些庫珀對的總動量為零，因此它們可以在晶格中無阻礙地移動，不受雜質或聲子的散射。

BCS理論還能解釋超導材料的其他性質，如能隙、臨界溫度、臨界磁場等，其中最重要的是能隙概念。能隙是指打破庫珀對所需的最小能量。只有當外部激勵（如溫度、磁場或電流）超過能隙時，才能破壞超導態，恢復正常態。能隙與臨界溫度成正比，也與聲子頻率成正比。

BCS理論得到了廣泛的實驗驗證和理論發展。巴丁、庫珀和施里弗因此獲得了1972年的諾貝爾物理學獎。