Айвар Джайвер. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Айвар ДЖАЙЕВЕР (Giaever)

(5.0.41929)

Нобелевская премия по физике, 1973 г. за экспериментальные открытия явлений туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках совместно с Лео Эсаки и Брайаном Д. Джозефсоном. Открытие было быстро воспринято в электронике, нашло применение при детектировании гравитационных волн, геологической разведке рудных месторождений, передаче сообщений сквозь толщу воды и горные массивы, изучении электромагнитного поля вокруг сердца и головного мозга.

Норвежско-американский физик Айвар Джайевер родился в Бергене и был вторым ребенком из трех детей фармацевта Джона А. Джайевера и урожденной Гудрун М. Скаруд. Он учился в начальной школе в Тотене и в средней в Хамаре. После окончания средней школы в 1946 г. Джайвер в течение года работал на военном заводе Рауфосса, а в 1948 г. поступил в Норвежский технологический институт в Тронхейме, который окончил в 1952 г. с дипломом инженера-механика.

В том же году Джайвер был призван в армию, где служил в звании капрала в течение года. Демобилизовавшись, он работал экспертом в Норвежском патентном бюро. В 1954 г. сложности с жильем в Норвегии побудили Джайвера отправиться в Канаду, где он в течение короткого времени работал помощником архитектора, а затем в качестве инженера-механика принял участие в осуществлении фундаментальной инженерной программы компании «Дженерал электрик». В 1956 г. Джайвер перешел в научно-исследовательский центр компании «Дженерал электрик» в Скенектади (штат Нью-Йорк), где занимался решением проблем в области прикладной математики. Именно в Скенектади у Джайвера пробудился интерес к физике, и в 1956 г. он был принят в группу, занимавшуюся исследованиями по физике твердого тела. Тогда же, без отрыва от работы, он поступил в аспирантуру при Политехническом институте Ренсселаера.

В «Дженерал электрик» Джайвер исследовал электрическое поведение переходов, состоящих из металлических контактов, разделенных очень тонкими изолирующими слоями. Эта работа представляла коммерческий интерес, поскольку в большинстве электрических металлических контактов их поверхности разделены тонкими изолирующими слоями оксидов и загрязнений. С точки зрения классической физики следовало бы ожидать, что в тех случаях, когда напряжение между двумя контактами не слишком велико для того, чтобы электроны могли преодолеть электрический барьер, созданный изолятором, ток в цепи течь не будет, поскольку нет электронов с энергией, достаточной для проникновения сквозь изолятор. Квантовая механика, описывающая поведение систем в атомном или субатомном масштабе, предполагает, что если изолирующая пленка достаточно тонка, то электрон может «туннелировать» сквозь нее и оказаться по другую сторону барьера. Японский физик Лео Эсаки изобрел диод (так называемый туннельный диод, или диод Эсаки), в котором электрические переходы настолько тонки (толщина перехода составляет около одной миллиардной доли метра), что электроны могут туннелировать сквозь них, порождая необычные и полезные электрические свойства такого диода.

Не прекращая своих исследований, Джайвер в рамках аспирантской программы познакомился с теорией сверхпроводимости БКШ, названной так в честь Джона Бардина, Леона Н. Купера и Дж. Роберта Шриффера. В состоянии сверхпроводимости, наблюдаемом в некоторых металлах и металлических соединениях, материалы, если их охладить ниже критических температур, близких к нулю, полностью теряют сопротивление, и электрический ток может течь по ним без потерь. Критическая температура материала зависит от его химического состава и структуры. Бардин, Купер и Шриффер обнаружили в 1957 г., что сверхпроводимость в материале определяется взаимодействием пар электронов, осуществляемым с помощью обмена атомными колебаниями (фононами). Эта гипотеза привела к созданию теории БКШ – основной теории сверхпроводимости. Согласно ей, взаимодействие электронов с атомными колебаниями в материале порождает так называемые запрещенные энергии электронов в сверхпроводнике, т.е. электронам в сверхпроводниках не разрешается иметь эти энергии.

Джайвер решил экспериментально определить влияет ли наличие запрещенных энергии в сверхпроводниках на электрические свойства перехода из изолятора между нормальным металлом и сверхпроводником? Он обнаружил, что запрещенные энергии легко наблюдаемы и могут быть измерены с помощью разработанной им методики. Это послужило убедительным подтверждением теории БКШ. Дальнейшие исследования напыленных пленок алюминия, разделенных только слоем оксида алюминия, показали, что электрические свойства таких переходов позволяют получить огромное количество информации о характеристиках атомных колебаний и поведении сверхпроводников. Тем самым они дают информацию, которую вряд ли можно было бы получить каким-то другим способом. Метод туннелирования Джайвер быстро стал одним из самых основных способов наблюдения и определения свойств сверхпроводников.

В 1962 г. Брайан Д. Джозефсон обобщил идеи Джайвера относительно случая перехода из изолятора между двумя сверхпроводниками. Джозефсон предположил, что между двумя сверхпроводниками токи могут течь даже в отсутствие напряжения между ними, а напряжение, приложенное к переходу, вызовет высокочастотный переменный ток (эффекты Джозефсона). Теория Джозефсона способствовала созданию необычайно чувствительных детекторов изменения магнитного поля и электрического напряжения. Устройства, основанные на использовании эффектов Джозефсона, находят применение при создании быстродействующих логических цепей с низким расходом энергии в компьютерах. В 1964 г. Джайвер получил докторскую степень и гражданство Соединенных Штатов.

В 1973 г. Джайверу и Лео Эсаки была присуждена половина Нобелевской премии по физике «за экспериментальные открытия явлений туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках». Другая половина была отдана Джозефсону. В речи на церемонии вручения Нобелевской премии Стиг Лундквист из Шведской королевской академии наук заявил, что три новых лауреата «открыли в физике новые области исследования. Эти области тесно взаимосвязаны, поскольку пионерские работы Эсаки заложили основу и послужили непосредственным стимулом для открытия Джайвера, а работы Джайвера в свою очередь стали стимулом, который привел к теоретическим предсказаниям Джозефсона... Открытия лауреатов были быстро восприняты в электронике, нашли применение при детектировании гравитационных волн, геологической разведке рудных месторождений, передаче сообщений сквозь толщу воды и горные массивы, изучении электромагнитного поля вокруг сердца и головного мозга».

В ответной речи Джайвер сказал, что «дорога к научному открытию редко бывает прямой и не обязательно требует глубоких познаний и навыков. Я убежден, что неофит часто имеет преимущество перед знатоком именно в силу своего невежества, так как в силу своего невежества даже не представляет всех сложных причин, по которым бессмысленно даже пытаться поставить данный эксперимент». Однако, добавил Джайвер, «очень важно иметь возможность вовремя получить совет и помощь от специалистов различных областей знания. Я оказался в нужном месте, в нужный момент времени и... обрел так много друзей, самоотверженно помогавших мне».

Получив стипендию Гуггенхейма, Джайвер провел 1970 г. в. Кембриджском университете, где изучал биофизику, а затем вернулся в компанию «Дженерал электрик». Темой его последующих исследований были свойства клеточных мембран и поведение белковых молекул на твердых поверхностях. Последняя работа Джайвера по иммунологии была выполнена в компании «Дженерал электрик» и в Медицинском центре Олбани.

В 1952 г. Джайвер вступил в брак с Ингер Скрамстад, у них четверо детей. Большой любитель игр и спортивных развлечений на открытом воздухе, Джайвер охотно играет в теннис, любит прогулки, путешествия, катание на лыжах, парусный спорт и виндсерфинг.

В 1965 г. Джайвер был награжден премией Американского физического общества по физике твердого тела Оливера Э. Бакли. Он состоит членом Национальной академии наук США, Института инженеров электротехники и электроники. Норвежской академии наук и Биофизического общества, а также Американского физического общества.

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.