タグ: ジョン・バーディーン-3/10改訂

こんにちはコウジです。
半年ごとの既存記事見直しの作業です。
今回は近世20世紀に概念・手法を確立していった偉人を紹介します。
では、ご覧ください。内容を整理し、リンクを見直しました。
現時点での英訳も考えています。
（以下原稿です）

金属絶縁体転移
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【1908年5月23日 ~ 1991年1月30日】

【出典：John Bardeen Wikimedia Commons】

超電導現象の理論的基礎を与えたバーディン

本稿は何度も追記したいです。

それは私にとって、関心のある

低温電子物性の話だからです。

今回は極低温での現象理解を進めたバーディンについて
ご紹介致します。バーディンは二回のノーベル賞を受けています。

バーディンは現在までに物理学賞を二度受賞した唯一の人物です。
（※マリー・キュリーは異分野での受賞でした。）

 

一回目はベル研での仲間とのトランジスタの発明、
二回目はイリノイ大学の仲間たちと確立したBCS理論です。

前述したカメリー・オネスの超電導現象の発見以後、その現象を説明する為に色々な理論が試みられたでしょうが、イリノイ大学のバーディンを中心とした3人がBCS理論を確立します。バーディン、レオン・クーパー、ロバート・シュリーファー 　3人の名前の頭文字を並べてBCS理論と呼ばれます。

このコンビの始まりはバーディンがクーパーを招聘する事から始まります。そこにバーディン研究室の大学院生、シュリーファー が加わり研究が進みます。

後に話す中嶋氏とのエピソードやベル研での仲間たちとのトランジスタの
発明を考えてみて下さい。物理で理論を切り開いていく楽しさが感じられる
のではないでしょうか。（他の専門分野の方でも感じられるでしょう。）
自分自身で思索にふける時間を経て、
議論をすることで理論が発展していくのです。
特にバーディンは議論の上手い人だったといえます。

バーディンは議論をして「興奮する時間」
を大事に使えたのです。

また別ブログで少しバーディンについてつぶやいてみました。

◆ 静かな天才 ― バーディンの研究スタイル

ジョン・バーディーンは、20世紀物理学者の中でも
極めて珍しいタイプの研究者でした。

多くの理論物理学者が強烈な個性やカリスマ性で知られるのに対し、
バーディンは控えめで穏やかな人物として知られています。

議論では相手を否定するのではなく、

相手の考えを最後まで聞く

問題の核心だけを静かに指摘する

数式より物理的直観を重視する

という姿勢を貫きました。

ベル研究所でもイリノイ大学でも、多くの若手研究者が自然に
彼の周囲へ集まった理由は、この「議論の安心感」にあったと言われています。
超伝導は前出の2人と議論をまとめ、トランジスタ発明のチームはベル研の仲間
であるウィリアム・ショックレーとウォルター・ブラッテンでした。

BCS理論も、強烈なひらめきというより、長期間の
対話と試行錯誤の積み重ねから生まれた理論でした。

---

◆ なぜBCS理論は革命だったのか

BCS理論の本質は、単に超伝導を説明したことではありません。

それまで物理学では、フェルミ粒子（電子）とボース粒子は根本的に異なる存在
として扱われていました。しかしBCS理論では、電子がペア（クーパー対）を
形成することで集団的にボース粒子的振る舞いを示すことが明らかになりました。

これは、個々の粒子ではなく「集団状態」が物理現象を決定するという
考え方を確立した出来事でした。この視点は後に、

超流動

原子核物理

中性子星内部

量子情報科学

へと広がっていきます。

BCS理論とは　

BCS理論の内容はフォノン（音子）を介した電子が対になった結果（クーパ対の考え方）、そのコンビがスピンを打ち消し合って結合するという理論でした。相転移温度をその理論で説明し、今日、超伝導を考えるうえで理論の基礎となっています。

このBCS理論の妙はフェルミオンである電子が凝縮状態をとるところにあります。本来、同じ状態（位相等を考えた時のパラメター）をとる事が出来ない電子が対になってボゾン化することで巨視的な現象にとして観察される超伝導現象が実現するのです。

そもそも、金属中を移動する電子を単純な質点のモデルで考えると
単純な古典的粒子モデルでは、電子は格子振動や散乱の影響を受け必ず電気抵抗が生じます。何らかの相互作用が起きて金属内での抵抗が生じます。ところが、電子の波動関数を考え、波動的側面が顕著に現れる状態を考えていくのが超伝導現象だと言えます。

そして現象発現の条件として大事な尺度の一つが
温度だったのです。2023年時点での関心は
遷移を起こす温度のメカニズムを解明する事です。
そして1986年に発見された高温超伝導体は、従来のBCS理論だけでは
完全に説明できず、現在も物性物理学最大級の未解決問題となっています。。

現在での転移温度は「高温超電導」
と言ってもマイナス百℃以下ですので
転移温度に至るまでは液体ヘリウムや
液体窒素を使って冷却しなければいけません。

超電導現象の応用　

実用化しているリニアモーターカーや量子コンピューター等の応用技術も冷却した上で超電導現象を実現しているので、コストと安定性が課題となっています。転移温度が変わっていって、より常温に近い温度で現象を起こすことが出来ればメリットは非常に大きいです。

温度に関わるメカニズムとして中嶋貞雄がバーディンに与えたヒントが繰り込み理論の応用でした。そのヒントは手法だったともいえますが、電気伝導に関わる要素（素粒子）が「どういった条件で」、「どういった役割を果たすか」が重要です。その手掛かりの一つが「ゆらぎ」に関するメカニズムではないかと考えている人が居ます。今後の大きな課題です。

また、最後に一つ気付きました。バーディンはランダウと同じ年に生まれています。
そして、没年は大きく違います。二人の人生を比べてしまうのは失礼ですが、
バーディンは「色々な人と沢山議論した人」だという事は出来るでしょう。
きっと、
バーディンは色々な視点で長く考えていました。

〆

以上、間違い・ご意見は
以下アドレスまでお願いします。
時間がかかるかもしれませんが
必ず返信・改定をします。

nowkouji226@gmail.com

2020/09/15_初稿投稿
2026/03/10_改定投稿

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AIでの考察（参考）

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（2021年11月時点での対応英訳）

Theoretical basis of superconducting phenomenon

I would like to add this article many times. That’s because it’s about the low-temperature electronic characteristics that I’m interested in. This time, I would like to introduce Birdin, who has advanced the understanding of the phenomenon at extremely low temperatures.

Birdin has received two Nobel Prizes. The first is the invention of the transistor with his colleagues at Bell Labs, and the second is the BCS theory described below. Since the discovery of the superconducting phenomenon of Camery Ones mentioned above, various theories may have been tried to explain the phenomenon, but three people led by Birdin of the University of Illinois establish the BCS theory. Bardeen, Leon Cooper, and Robert Schrieffer are called BCS theory by arranging the initials of the three names.

The beginning of this duo begins with Birdin inviting Cooper. Schrieffer, a graduate student from the Badin laboratory, will join the group to advance the research.

What is BCS theory?

The content of BCS theory was the theory that as a result of pairing electrons via phonons (sounds) (the idea of ​​Cooper pairs), the combinations cancel each other out and combine. The phase transition temperature is explained by the theory, and today it is the basis of the theory when considering superconductivity.
The mystery of this BCS theory is that the fermion electrons take a condensed state. Originally, electrons that cannot take the same state are paired and bosonized, and the superconducting phenomenon observed as a macroscopic phenomenon is realized.

In the first place, considering the electrons moving in a metal as a simple mass model, it is impossible for a negative charge to move around freely and without resistance between nuclei with a positive charge. Some interaction occurs and leads to resistance. However, it can be said that the superconducting phenomenon is to create a state in which the wave function appears prominently by considering the wave function of electrons.

One of the important measures for that condition was temperature. At this time, the interest is to elucidate the temperature mechanism that causes the transition. At present, the transition temperature is less than minus 100 ° C even if it is called high-temperature superconductivity, so it is necessary to cool it with liquid helium or liquid nitrogen until the transition temperature is reached.

Application of superconducting phenomenon

Since the superconducting phenomenon is realized after cooling the applied technologies such as linear motor cars and quantum computers that have been put into practical use, cost and stability are issues. If the transition temperature changes and the phenomenon can occur at a temperature closer to room temperature, the merit is very great.

The hint given to Bardeen by Sadao Nakajima as a mechanism related to temperature was an application of renormalization theory. It can be said that the hint was a method, but “under what conditions” and “what role” the elements (elementary particles) involved in electrical conduction play are important. Some people think that one of the clues is the mechanism related to “fluctuation”. This is a big issue for the future.