Nell’immaginario collettivo, specialmente nelle sue declinazioni più popolari, l’immagine dello scienziato geniale è quella di un uomo eccentrico, dalla vita interessante e straordinaria. Ci vengono alla mente la storia tragica di Alan Turing (raccontata anche in un bel libro a fumetti di qualche anno fa), la malattia mentale di John Nash, il sarcasmo tagliente espresso dalla voce sintetica di Stephen Hawking (visto anche al cinema ne La teoria del Tutto). Storie che, non a caso, sono diventate altrettanti film per il grande pubblico. Se guardiamo più indietro, troviamo l’eccentrica vita di Richard Feynman che suonava i bonghi in aula o quella di Albert Einstein, uno che faceva le boccacce ed è diventato suo malgrado un’icona del Novecento, una vera rockstar.

Raramente ricordiamo personaggi poco conosciuti, ma di sicuro talento. Come John Bardeen, fisico americano che sessant’anni fa, nel 1956, andava a ritirare a Stoccolma il premio Nobel per la Fisica per la scoperta del transistor, un componente elettronico miniaturizzabile che ha permesso la nascita dell’elettronica di consumo. In Svezia, caso unico nella Fisica, torna anche nel 1972 per un secondo premio per la spiegazione della superconduttività. Ricordato come un grande appassionato di golf e un padre amorevole, ha avuto una vita lineare, senza grandi sussulti, quasi noiosa, che difficilmente arriverà sul grande schermo. Eppure, i due premi Nobel sono lì a ricordare a tutti il suo ruolo nel rivoluzionare le nostre vite.

Chi è John Bardeen?

John Bardeen nasce il 23 maggio del 1908 a Madison, nel Wisconsin, in un famiglia in cui la scienza era di casa. Suo padre, Charles Russell è il primo preside della Medical School dell’Università del Wisconsin, e lo incoraggia allo studio, in particolare della matematica, per la quale dimostra fin da subito un grande talento. Potrebbe diplomarsi anche prima, ma è nel 1923, a quindici anni, che entra all’università, scegliendo la facoltà di ingegneria. Se la prende relativamente comoda, interrompendo gli studi per oltre un anno per lavorare a Chicago. Si laurea con un anno in ritardo rispetto alla norma, nel 1928, ma comunque a soli vent’anni.

Negli anni Trenta non sa ancora quale sia la strada che vuole davvero prendere. Lavora per qualche tempo a Pittsburgh (Pennsylvania), alla Gulf Oil, una delle principali aziende petrolifere americane, studiando come effettuare al meglio i prospetti geologici per individuare potenziali giacimenti. Poi studia a Princeton, dove approfondisce la matematica e la fisica, e scrive una tesi di dottorato su problemi di fisica della stato solido. Dal New Jersey passa a Harvard per qualche anno, ma la Seconda Guerra mondiale lo vede richiamato dalla marina per lavorare al Naval Ordnance Laboratory di Washington D.C., ma il lavoro non gli piace molto.

Che cosa ha scoperto?

È con il finire della guerra che la vita di Bardeen prende una direzione intellettuale chiara e definitiva. Ha bisogno di un lavoro per mantenere la famiglia che tra il 1939 e il 1944 si è allargata con l’arrivo di tre figli: James, William ed Elizabeth avuti dalla moglie Jane Maxwell sposata nel '38 e che gli starà sempre a fianco. Così, dal 1945 lavora ai Bell Laboratories, il ramo di ricerca e sviluppo dell’omonima compagnia telefonica americana, alla ricerca di un’alternativa efficace agli amplificatori di segnale in uso allora, basati sui tubi a vuoto. Il gruppo di lavoro è formato, oltre che da Bardeen, che si prende in carico la parte più teorica del progetto, da Walter H. Brattain, che si occupa della effettiva costruzione dei prototipi, e William B. Shockley, il più giovane (è del 1910), ma anche il responsabile del progetto.

Marvin Kelly nel 1928 con in mano un tubo a vuoto ai Bell Laboratories con William Wilson. Kelly sarà presidente dei Bell Labs dal 1951 al 1959 (Immagine: History of Engineering and Technology)

Per la compagnia telefonica, il progetto è essenziale allo sviluppo dell’attività. L’amplificazione del segnale elettrico, infatti, è un nodo cruciale dello sviluppo della rete telefonica e della qualità delle comunicazioni, perché determina il movimento delle membrane degli altoparlanti. Ma i tubi a vuoto impiegati negli anni Quaranta hanno dei limiti: sono fragili, si surriscaldano molto e quindi hanno bisogno di molto spazio per un’adeguata ventilazione. La fisica dello stato solido è il pane di Bardeen, che crede che un risultato sia a portata di mano. Già alla fine del 1947, infatti, i tre presentano il primo prototipo funzionante di transistor.

Replica del transistor presentato nel '47-'48 da Bardeen, Brattain e Shockley (Immagine: Wikimedia Commons)

Come funziona il transistor?

La storia dei transistor è molto variegata, e nel corso dei decenni ne sono stati realizzati di diversi tipi. Quello realizzato da Shockley, Brattain e Bardeen è costituito da un blocchetto di germanio, un semiconduttore, e due contatti estremamente vicini costituiti da due lamine d’oro attaccate a un triangolo di plastica pressato contro il germanio da una molla. Senza addentrarsi nei dettagli (che si possono comunque trovare in questo video di Veritasium), l’aspetto fondamentale che Bardeen comprende è che, affinché l’apparato funzioni, il germanio non deve essere puro, ma presentare uno strato esterno, estremamente sottile, in cui c’è una carenza di elettroni (semiconduttore di tipo p) e uno sottostante in cui c’è abbondanza di elettroni (semiconduttore di tipo n). Oggi questa situazione si ottiene attraverso un “drogaggio” diverso delle due aree del semiconduttore che si impiega.

Lo schema del primo transistor ideato da Bardeen con Shockley e Brattain (Immagine: Stanford University)

Un segnale elettrico con un basso voltaggio (o bassa corrente) in ingresso, cioè tra base ed emettitore, può essere amplificato a piacimento e messo a disposizione in uscita attraverso la cosiddetta corrente di collettore. L’immagine seguente fornisce lo schema elettrico di un transistor a doppia giunzione, diverso da quello originariamente progetto dal gruppo di Brattain, ma con le stesse caratteristiche di fondo.

Schema di funzionamento di un transistor a doppia giunzione (Immagine: hsc.csu.edu.au)

Quello che hanno ottenuto i tre ricercatori è un componente elettronico che ha due diverse funzioni. La prima, quella desiderata dall’azienda telefonica, è di amplificare il segnale in ingresso. La seconda è quella di funzionare come un vero e proprio interruttore, come un rubinetto per l’acqua. Il transistor, cioè, può assumere due stati: aperto/chiuso, acceso/spento, o 1/0. È su questo tipo di elementi che oggi, all’interno dei nostri computer, dei nostri smartphone e in mille altri tipi di apparecchi elettronici immagazziniamo ed elaboriamo l’informazione.

Dopo il transistor e fino a oggi

La scoperta realizzata ai Bell Laboratories è straordinaria, ma Bardeen non si trova del tutto a proprio agio a lavorare sotto, di fatto, la direzione di Shockley. Lo trova troppo autoritario e geloso del potere che deriva dalla sua posizione. Visto il carattere schivo, però, non ne esce uno scontro, ma all’inizio degli anni Cinquanta, Bardeen cerca lavoro altrove. E lo trova a Urbana, sede della Università dell’Illinois, che con la sua acquisizione pensa di poter costruire un gruppo di ricerca di primo piano nel campo della fisica della superconduttività. Non si muove più e il premio Nobel del 1956 non fa altro che confermare la buona idea dell’Università di assumerlo.

Già ai Bell Laboratories, Bardeen aveva cominciato la propria personale ricerca di una teoria della superconduttività, un fenomeno scoperto nel 1911 da Heike Kamerling Onnes che non può essere spiegato con la fisica classica. Onnes aveva notato che, al di sotto una determinata temperatura, alcuni materiali hanno resistenza elettrica nulla ed espellono i campi magnetici presenti al loro interno. Nel 1957, Bardeen, con due colleghi più giovani, Leon Cooper e Robert Schrieffer riuscirono a spiegare il fenomeno formulando quella che è diventata nota come teoria BCS dalle iniziale dei tre scienziati. La scoperta vale per i tre il premio Nobel per la Fisica nel 1972: Bardeen diventa l'unico scienziato a vincerlo due volte in Fisica.

In True Genius. The Life and Science of John Bardeen, la biografia più completa pubblicata nel 2002, a quarant'anni da quel momento e a dieci dalla sua scomparsa, le due autrici, le storiche della scienza Lillian Hoddeson e Vicki Daitch, non esitano fin dal titolo a usare la parola 'genio'. Lo stesso fanno diversi intervistati nel breve documentario intitolato Spark of Genius che l'Università dell'Illinois realizza nel 2010. Non v'è dubbio che il lavoro di Bardeen sul funzionamento del transistor è stata determinante per la storia dello sviluppo tecnologico e sociale che stiamo vivendo ancora oggi. Forse meno evidente, ma la scoperta che ha portato al secondo Nobel è un punto essenziale dello sviluppo della fisica del secondo Novecento. Eppure, nella recensione del libro che Dwarka Bose pubblica nel 2003 su Current Science, si percepisce il disagio nell'accostamento di 'genio' e 'Bardeen'. Sembra che anche il fisico di origine indiana, che aveva conosciuto Bardeen in un suo viaggio nel subcontinente asiatico e della cui intelligenza rimane affascinato, abbia lo stesso bias di cui si è detto all'inizio e si immagini i geni della scienza come degli eroi romantici dalla vita straordinaria e travagliata. Invece, Bardeen ha mostrato come anche in una vita semplice e tranquilla, in cui il massimo brivido può sembrare la partita a golf del fine settimana, si può sviluppare una mente brillante, capace di incidere un solco profondo nella storia.

Per approfondire

Articolo sulla storia del transistor su Review of Modern Physycs con la spiegazione del funzionamento del transistor di Bardeen, Brattain e Shockley.

Materiale didattico sul transistor (con attività) realizzato dalla Università del New South Wales (Australia).

Video: How Does A Transistor Work? di Veritasium, canale YouTube dedicato alla scienza e alla tecnologia.

La trascrizione del lezione che Bardeen ha tenuto alla cerimonia per il Nobel per la Fisica del 1956.

La trascrizione del lezione che Bardeen ha tenuto alla cerimonia per il Nobel per la Fisica del 1972.

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