Segunda entrega de la serie que dedico a John Bardeen —el único científico con dos Nobel de Física— a partir de la biografía de Lillian Hoddeson y Vicki Daitch [1]. Aquí veremos el enfrentamiento de Bardeen con Shockley a raíz de la invención del transistor, el Premio Nobel de física de 1956 y la carta que puso fin a su etapa en los Bell Labs.
Tras ver los primeros tiempos de la vida científica de Bardeen en este artículo, aquí describo los acontecimientos que dieron lugar a la invención del transistor y lo que vino después. A la invención del transistor ya le he dedicado varios artículos [2], aquí me ocuparé de todo lo que lo rodeó.
El primer transistor de puntas de contacto de Bardeen y Brattain
1. El “mes mágico”, en cuatro pinceladas
Caía la tarde del 16 de diciembre de 1947 cuando John Bardeen empujó la puerta trasera de su casa de Summit, en Nueva Jersey. Para dar con su mujer, Jane, la cocina era el sitio seguro. Allí llegó él sorteando “niños por todo el suelo” y le dijo en voz casi inaudible “Hoy hemos descubierto algo”. Ella respondió sin apartar la vista del fregadero “Qué bien”. Bardeen jamás hablaba del laboratorio en casa, por lo que aquella frase bastó para que Jane entendiera que el día no había sido uno cualquiera. Supo más tarde que “ese algo” era el transistor.
Del detalle experimental me ocupé hace unos años y no tiene sentido repetirlo aquí [2]. Basta recordar que el 17 de noviembre de 1947, el químico Robert Gibney propuso sumergir el dispositivo en un electrolito para contrarrestar el bloqueo de los estados de superficie, y la idea dio resultado; el 8 de diciembre, Bardeen planteó sustituir el silicio por germanio de alta pureza; y el 16 de diciembre, con dos contactos de oro separados por unas pocas micras, el dispositivo amplificó tensión, corriente y potencia hasta 1 kHz. El transistor acababa de nacer. El esquema de ese dispositivo se puede ver en la siguiente figura, extraída de la Nobel Lecture de John Bardeen:
Sección transversal del dispositivo que Brattain construyó el 16 de diciembre de 1947, según se puede ver en la Nobel Lecture de John Bardeen
Al reemplazar el electrolito por una capa de óxido de germanio, Brattain lavó la muestra antes de evaporar el oro. Años después, Brattain contaría que “Lo que no sabíamos entonces es que el óxido que se formaba era soluble en agua” el lavado se llevó el electrolito y, con él, el óxido. Que Bardeen y Brattain, y no Shockley, patentaran el primer transistor depende de esa propiedad trivial del material [3]. De haber seguido con silicio, quizá habrían desembocado en algo cercano al MOSFET de hoy [4].
La demostración ante los directivos de Bell tuvo lugar el 23 de diciembre, quienes escucharon por unos auriculares una voz amplificada con una ganancia de potencia de un factor ~18. La víspera de Navidad, Bardeen dejó escrito en su cuaderno cómo funcionaba aquello por analogía con el triodo y cerró la entrada con una cortesía: “La analogía fue sugerida por W. Shockley”. Nunca volverían a colaborar tan bien, de hecho, nunca volverían a colaborar.
La explicación detallada de Bardeen sobre el funcionamiento del dispositivo, en su cuaderno de laboratorio
El cuaderno de laboratorio de Brattain, con la explicación de los resultados del primer transistor
2. La ventisca
El 26 de diciembre se puso a nevar sobre Nueva Jersey y ya no escampó, en Nueva York se acumularon 65 centímetros en una sola noche, la mayor nevada registrada en la historia de la ciudad. Shockley aprovechó la ventisca para trabajar encerrado en casa. No celebraba nada, le daba vueltas a que el hallazgo lo hubieran firmado Brattain y Bardeen y a que su nombre no figurase en él. Puesto que todo había partido de diseños suyos, “pensaba que la patente básica sobre el principio del efecto campo sería suya”. El 28 de diciembre se recluyó casi una semana en un hotel de Chicago, dedicado a dar forma al sándwich p-n-p que sería el origen del transistor de unión.
Lo que hizo a su regreso liquidó cualquier opción de seguir trabajando juntos. Convocó a Bardeen y a Brattain por separado en su despacho para comunicarles, según lo recordaba Brattain, “que él podía escribir una patente, empezando por el efecto campo, sobre todo el maldito asunto”. Ambos se quedaron helados. Y todavía faltaba la puntilla: “A veces, la gente que hace el trabajo no se lleva el mérito”.
La maniobra de Shockley le salió al revés. Los abogados de la empresa comprobaron que el efecto campo no era una idea original, dado que el inventor polaco-estadounidense Julius Lilienfeld la había patentado en 1930, y con una descripción tan precisa que, como resumió Bardeen, “no había manera de que Shockley obtuviera una patente sobre el principio del efecto campo” [5]. La solicitud de Bell acabó apoyándose en el diseño de Bardeen y Brattain, un transistor bipolar que sí era novedoso.
3. El nombre, la nota de prensa y la fotografía
Mervin Kelly clasificó el invento como confidencial y mandó a Bardeen y a Brattain aparcarlo todo para redactar las patentes. La consecuencia práctica fue dejarle a Shockley la pista despejada. El 18 de febrero de 1948, John Shive presentó un dispositivo que demostraba que los huecos atravesaban el volumen del germanio; Shockley entendió que Bardeen ataría cabos de inmediato y, sin esperar, se puso en pie en aquella misma reunión para dar a conocer su transistor de unión. Bardeen no protestó apenas, apenas unos pocos alcanzaron a oírle murmurar que Shockley “se había metido con los dos pies”.
El nombre del dispositivo llegó en mayo de 1948. El ingeniero John Pierce asomó por el despacho de Brattain y se encontró con un recibimiento inesperado “John, eres justo el hombre que quería ver. Siéntate”. Pierce razonó que, si la válvula funcionaba por su transconductancia, el nuevo dispositivo lo hacía por su transresistencia, al ser era el dual eléctrico de la válvula de vacío. De ahí salió transistor (contracción de TRANsfer-reSISTOR) “¡Pierce, eso es!”. El término se votó en un memorándum interno y arrasó.
El 30 de junio de 1948 el transistor se presentó en público. Entre el modo en que se organizó el acto y la desenvoltura de Shockley al responder a las preguntas, los asistentes se llevaron la idea de que aquello se había pilotado desde arriba. El jarro de agua fría vino a la mañana siguiente, cuando el New York Times despachaba el invento del siglo en unas líneas de la página 46, por detrás de una nota sobre el cambio de programación a la temporada de verano de la CBS [6].
De aquel año, la imagen que mejor lo cuenta es la portada de Electronics de septiembre de 1948, los tres posando en el laboratorio. El centro no lo ocupa ninguno de los dos inventores, sino Shockley, sentado al banco de trabajo de Brattain; este y Bardeen observan desde atrás. “A Walter le horroriza esta foto”, confesó Bardeen a un amigo [7].
Portada de la revista Electronics de septiembre de 1948. Shockley está sentado en el banco de trabajo de Brattain, con este y Bardeen observando desde atrás
4. La asfixia lenta
Lo que llegó después ya no fue un desplante, sino algo peor. En el otoño de 1948, Shockley vetó a Bardeen y a Brattain cualquier trabajo sobre el transistor de unión (la continuación natural del suyo, tal como ellos lo veían), los mudó a despachos de otra planta y les adjudicó una investigación que “probablemente sabía que era un callejón sin salida”. Ralph Bown declinó mediar, Shockley atravesaba un estado muy emocional y el tiempo lo encauzaría. Bardeen sacó la conclusión evidente, la dirección daba carta blanca Shockley para hacer y deshacer a su antojo.
Brattain lo resumiría años después muy bien: “Bardeen estaba harto de los Bell Labs, harto de una persona concreta de los Bell Labs”. Y, pese a todo, fue en esos mismos años cuando la reputación de Brdenn entre los físicos se volvió legendaria. Walter Kohn, que andando el tiempo ganaría el Premio Nobel de Química, no era nadie todavía cuando reunió el valor de escribirle para consultarle unos números; por correo le llegaron la tabla correcta y una carta larguísima escrita a mano. En Murray Hill acabaron acuñando una unidad para medir aquello, el “número de Bardeen”, definido como el cociente entre sustancia y autopromoción. “Bardeen era infinito en esa escala”.
5. Estocolmo, 1956
La mañana del 1 de noviembre de 1956, Bardeen freía huevos para los suyos cuando sus hijos entraron en tromba en la cocina, la radio acababa de anunciar que le habían concedido el Premio Nobel. Se le cayó la sartén. Ya en la mesa, dijo “bueno, supongo que será mejor que vaya a afeitarme”. Por la tarde se cruzó con Bob Schrieffer, que hacía la tesis con él; sonrió y le dijo: “Ah, solo quería mencionarlo, he ganado el Premio Nobel”.
Agradecido sí estaba; pero cómodo del todo, no. “En el fondo, sentía que no merecía un Nobel por el transistor”, rememoraba su colega David Lazarus. A un colega de Philips le escribió: “Sospecho que a muchos del comité les preocupaba si la ciencia en sí era digna del premio. Yo también tengo mis dudas”. Se le añadía el apuro de recibirlo antes que Wigner y Van Vleck, sus dos maestros [8].
El viaje a Estocolmo salió redondo. Bardeen y Brattain, más hermanos que colaboradores, disfrutaron como no lo hacían desde hacía años. El día de la ceremonia, Brattain atendió una llamada de urgencia, ya que hacía falta una corbata de recambio. Un chaleco suyo ya se lo había dejado, porque el que John compró en Nueva York volvió verde de la lavandería. Y fue allí donde el rey Gustavo VI Adolfo le preguntó a Jane por qué no se habían traído a los hijos, lo que significó una reprimenda real que Bardeen procuró enmendar diciendo al rey que si recibía otro Premio Nobel, llevaría a sus hijos. Tuvo ocasión de cumplir su promesa dieciséis años más tarde.
Bardeen, recibiendo el Premio Nobel de 1956; detrás de él, Brattain
6. La carta
Frederick Seitz, en cuanto supo del malestar de Bardeen en Bell labs, movió hilos en la Universidad de Illinois, que a duras penas juntó dinero para una plaza repartida entre física e ingeniería eléctrica, con una oferta de 10.000 dólares anuales. El propio Seitz le advirtió de que era poco para alguien de su categoría y de que, si esperaba, quizá consiguiera más. Bardeen contestó “Es suficiente”.
El 24 de mayo de 1951 le hizo llegar a Mervin Kelly tres páginas medidas palabra por palabra. Kelly, que al contratarle le había garantizado libertad para investigar, era ya presidente de los Bell Labs, por lo que merecía conocer el asunto al detalle. Tras exponer la oferta de Illinois, entraba en harina con una frase que no admite lectura amable: “Mis dificultades derivan de la invención del transistor”. Detallaba cómo Shockley se había servido del grupo en buena medida para explotar sus propias ideas y concluía sin dramatismo: la superconductividad podía cultivarla, pero lo haría mejor en una universidad, “por lo tanto, he decidido marcharme”.
Ese verano dio en Wisconsin su primer curso universitario sobre propiedades eléctricas de los sólidos, y el manual que eligió fue el que Shockley acababa de publicar, Electrons and Holes. En la guarda de su ejemplar figuraba una dedicatoria del autor que explica la relación entre los dos mejor que cualquier comentario: “A John Bardeen, que hizo que un libro como este fuera necesario” [9].
El problema que se llevó en la maleta a Illinois, sin embargo, nada tenía que ver con el transistor. Era aquel que le había vencido en 1941 y ante el que venían estrellándose los mejores físicos del mundo desde 1911. De él trata el tercero y último artículo de esta serie.
Notas
[1] Lillian Hoddeson y Vicki Daitch, True Genius. The Life and Science of John Bardeen, Joseph Henry Press, Washington D. C., 2002. Todas las citas textuales proceden de esta obra, salvo que se indique otra cosa.
[2] Los detalles experimentales del “mes mágico” los describí en la serie que dediqué al 75 aniversario de la invención del transistor:
[3] Ambos resultados aparecieron en sendos artículos breves: J. Bardeen y W. H. Brattain, “The Transistor, A Semi-Conductor Triode”, Phys. Rev. 74, 230 (1948), y W. H. Brattain y J. Bardeen, “Nature of the Forward Current in Germanium Point Contacts”, Phys. Rev. 74, 231 (1948). El transistor de puntas de contacto quedó protegido por la patente US2524035, https://patents.google.com/patent/US2524035A/en
[4] La cuestión del óxido soluble encierra más enjundia técnica de lo que aparenta. El óxido de germanio (GeO₂) se disuelve en agua y el de silicio (SiO₂) no y es justamente esa estabilidad química del SiO₂ la que una década más tarde haría posible la tecnología planar y el MOSFET, y con ellos la microelectrónica actual. Quien lo prefiera puede saltarse el detalle sin perder el hilo.
[5] J. E. Lilienfeld, “Method and Apparatus for Controlling Electric Currents”, patente US1745175, solicitada en 1926 y concedida en 1930. Constituye la primera descripción del principio del transistor de efecto campo, si bien no hay constancia de que llegara a construir un dispositivo operativo: https://patents.google.com/patent/US1745175A/en
[6] ”News of Radio”, The New York Times, 1 de julio de 1948, p. 46. El New York Herald Tribune, por el contrario, recogió que los ingenieros esperaban del dispositivo una revolución en la industria electrónica.
[7] Hay un vídeo en YouTube que relata esta historia de una forma magnífica, amena y muy rigurosa desde el punto de vista científico y humano: Transistorized! (https://www.youtube.com/watch?v=f3IUVvJ2XgI). Si no lo has visto, te animo a que no dejes de hacerlo, no te vas a arrepentir.
[8] Wigner obtendría el Premio Nobel de Física en 1963; Van Vleck, en 1977. La conferencia Nobel que Bardeen pronunció en 1956 puede consultarse en https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/bardeen-lecture.pdf
[9] Michael Riordan y Lillian Hoddeson, Crystal Fire. The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age, W. W. Norton, Nueva York, 1997. Es el relato canónico de la invención y complementa a la biografía en todo lo referido al contexto industrial.
