Понимание приходило к ним при взаимодействии друг с другом. «Теоретики и экспериментаторы тесно сотрудничали на всех этапах работы, начиная с идеи постановки эксперимента и кончая анализом его результатов», — говорит Бардин[272]. Импровизированные семинары, которые обычно вел Шокли, проходили практически каждый день, что ясно показывало: друг друга они понимают с полуслова. «Мы не назначали встреч заранее, собирались, когда надо было обсудить нечто важное, — рассказывал Браттейн. — Многие идеи зародились во время этих дискуссий, чье-то замечание наталкивало на интересную мысль»[273].
Эти встречи стали известны как «собрания у доски» или «разговоры с мелом», поскольку обычно Шокли стоял у доски с мелом в руках, записывая все предложения. Браттейн, как всегда нахальный, расхаживал в дальнем конце комнаты, выкрикивая возражения на некоторые из предложений Шокли и иногда споря на доллар, что работать они не будут. Проигрывать Шокли не любил. «Я понял, что это его раздражает, когда как-то он заплатил мне десятицентовыми монетами», — вспоминал Браттейн[274]. Они продолжали общаться и после работы, часто играли вместе в гольф, ходили пить пиво, устраивали вместе с женами соревнования по бриджу.
В Bell Labs Шокли со своей новой командой вернулся к оставленной им пять лет назад теории, которая должна была позволить заменить электронные лампы твердотельным устройством. Если источник сильного электрического поля, рассуждал он, разместить в непосредственной близости от пластины из полупроводникового материала, поле «вытащит» некоторое количество электронов на поверхность и позволит пропустить электрический импульс через пластину. В принципе это могло бы позволить использовать полупроводник, чтобы с помощью очень маленького сигнала контролировать сигнал гораздо большей мощности. Очень слабый ток, поданный на вход, будет регулировать (или включать и выключать) на выходе существенно более сильный ток. Таким образом, полупроводник, точно так же как и электронную лампу, можно использовать как усилитель или переключатель.
Была только одна небольшая неувязка: этот «полевой эффект» по какой-то причине не работал. Когда Шокли проверил свою теорию (на пластинку, помещенную на расстоянии порядка миллиметра от проводника, подали напряжение около тысячи вольт), ничего не произошло. «Никаких видимых изменений тока», — записал Шокли в лабораторном журнале. Как он сказал позднее, это было «абсолютно непостижимо».
Разобравшись, почему теория оказалась неправильной, можно отыскать путь к новой, лучшей теории. Поэтому Шокли попросил Бардина объяснить, в чем причина неудачи. Вместе они часами обсуждали так называемые «поверхностные состояния» — электронные свойства и квантово-механическое описание ближайших к поверхности образца слоев атомов. Через пять месяцев Бардин понял, что происходит. Он подошел к доске в кабинете, который делил с Браттейном, и начал писать.
Бардин сообразил, что, если полупроводник заряжен, электроны захватываются его поверхностью. Двигаться свободно они не могут. Электроны образуют запирающий слой, и электрическое поле, даже если на расстоянии в один миллиметр от поверхности оно сильное, не может преодолеть этот барьер. «Добавочные электроны оказались заперты в поверхностных состояниях, они неподвижны, — заметил Шокли. — В сущности, поверхностные состояния экранируют внутренность полупроводника от воздействия положительно заряженной управляющей пластины»[275].
Теперь у команды была новая задача: понять, как можно прорваться через барьер на поверхности полупроводника. «Мы сосредоточились на новых экспериментах, связанных с поверхностными состояниями Бардина», — объяснял Шокли. Они должны были пробить брешь в этом барьере, чтобы заставить полупроводник регулировать, переключать и усиливать ток[276].
Весь следующий год команда продвигались вперед медленно, но в ноябре 1947 года было сделано несколько открытий, и начался месяц, известный как «месяц чудес». Бардин разработал теорию так называемого «вентильного фотоэффекта», согласно которой освещение находящихся в контакте разнородных тел приводит к появлению электродвижущей силы. Он предположил, что в результате некоторые из электронов, образующих барьер, вытесняются. Браттейн, работавший бок о бок с Бардиным, ставил хитроумные эксперименты, пытаясь нащупать возможность сделать это. Им помогла счастливая случайность. Часть экспериментов Браттейн проводил в термосе, чтобы можно было варьировать температуру. Но конденсат на поверхности кремния раз за разом не позволял провести эксперимент чисто. Лучше всего было бы поместить все устройство в вакуум, но это требовало больших усилий. «Я на редкость ленивый физик, — признался Браттейн. — Поэтому я решил поместить мою систему в диэлектрическую жидкость»[277]. Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели испытания. Все работало великолепно.
Это было в понедельник. Всю неделю они с переменным успехом проверяли всяческие теоретические предположения и экспериментировали. К пятнице Бардин придумал, как избавиться от необходимости погружать устройство в воду. Вместо этого, предложил он, можно просто капнуть воду или небольшое количество геля прямо в то место, где острый металлический наконечник утыкается в кремний. «Здорово, Джон, — обрадовался Браттейн. — Давай попробуем». Нельзя было допустить, чтобы металлический наконечник вступал в контакт с каплей воды. Но Браттейн был волшебником, умевшим импровизировать. С этой проблемой он справился с помощью сургуча. Браттейн нашел хорошую кремниевую пластинку, чуть-чуть капнул на нее водой, покрыл кусочек проволоки сургучом, чтобы изолировать ее от воды, и, пропустив проволоку через каплю воды, воткнул ее в кремний. Сработало. Его устройство давало возможность, правда немного, усилить ток. Из этой хитро придуманной конструкции «точечного контакта» родился транзистор.
На следующее утро Бардин зашел к себе в кабинет, чтобы зафиксировать полученный результат в своих записях: «Эти опыты определенно указывают на то, что электрод или решетку можно использовать для контроля тока в полупроводнике»[278]. Он даже появился на работе в воскресенье, хотя обычно этот день он оставлял для гольфа. Кроме того, они с Браттейном решили, что настало время пообщаться с Шокли, который уже несколько месяцев был погружен в другие дела. В течение следующих двух недель он часто спускался к ним на этаж вниз со своими предложениями, но в основном давал возможность этой энергичной паре самостоятельно продвигаться вперед.
