[物理史] 美國麻省理工學院啟用第一部冷子管

美國麻省理工學院啟用第一部冷子管
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年2月）

現在很難想像以前的電腦都由龐大的真空管所建造，時常佔用了整個房間。科學家研發各種裝置以減少電腦的體積，其中美國麻省理工學院的研究生巴克（Dudley Allen Buck）所發明的冷子管（cryotron）是比較不為人知的裝置之一。冷子管是超導性的第一個實際應用，它利用某些金屬在極低溫下無電阻的導電能力。

19 世紀時，科學家開始試驗低溫狀態的物質，以及它對電性質的影響，達成了將氣體轉化為液態和固態。1911 年，荷蘭的物理學家昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功地使用液態氦來冷卻固態的水銀至 4.19 K，他注意到物質在那個低溫度時，電阻突然消失了，這是第一次觀測到的超導現象。

直至 1950 年代中期，繼電晶體的發明之後，研究員一直找尋可以將數千個電晶體合併在單一電路的方法，以製造出速度可以快好幾千倍的計算機，體積也比以前使用老式真空管科技時小很多。但它面臨的挑戰之一是熱：將所有的零件緊密組合在一起會導致電阻增加。因為超導體可以無阻力的導電，所以被視為是有希望的材料，巴克是放眼找尋這些材料的研究員之一。

1927 年，巴克出生於舊金山（San Francisco），成長於聖塔芭芭拉（Santa Barbara），對業餘無線電通訊深感興趣，在 16 歲時就取得了商用無線電操作員的執照。他先在一個地方廣播電台兼差，之後前往美國華盛頓大學（University of Washington）研讀電機、無線電和雷達理論。1948 年畢業後，他在美國海軍服役 2 年，在華府一棟放置了 121 個「小炸彈」電腦，第二次世界大戰期間用來破解日本和德國密碼的大樓，從事加密密碼學研究。他甚至還曾被派到柏林從事極機密任務，這到現在仍屬機密。

巴克從柏林回國後，開始在麻省理工學院研究所就讀。他第一個研究是和奧爾森（Ken Olsen）一起做，要為名為「旋風」（Whirlwind）的計算機原型的磁心記憶體開發陶鐵磁材料。這成了他碩士論文的基礎，證明鐵電材料可用來做數位資料的貯存與轉換，是最早鐵電記憶體（FeRAM）的示範；他還指出這些材料可作為極佳的電壓控制開關，於 1952 年獲得碩士學位。

巴克的研究還包括磁材料非破壞性檢測的新方法。磁心記憶的一個挑戰是，當讀取資料時，記憶的資料會被刪除，必須再重新寫入磁貯存庫，這是一個很耗時的過程。巴克非破壞性的方法可排除那多出來的一步，因為資料讀取時不會刪除記憶。他還發明可定址內容記憶體（content addressable memory），是一種儲存和讀取資料時不需知道資料確切位置的方法，這也減少了處理時間。

此外，巴克還對電腦電路的製造不用真空管或最近才發明出來的電晶體的可能性深感好奇。他知道他可以只用導線、二極管和磁心製造出邏輯電路，正如那些在早期密碼通訊系統所使用的。而且，假如他可以開發出以磁場干擾超導性 ─通常被視為缺點─ 的能力的話，就可能做一個開關，使用於電腦積體晶片。

1953 年 12 月，巴克在他的研究筆記中勾勒出冷子管的想法，並開始在兩年中建造可行的設施，分別使用鈮（niobium）和鉭（tantalum）兩種超導電線，每一個的臨界溫度不同。他將臨界溫度較高的鈮線包在臨界溫度較低的鉭線外面，確定兩者彼此電絕緣。

之後，巴克將此設備浸在液態氦中，讓它們具超導性。鉭線在超導狀態可以傳導大量電流，但當電流通過鈮線圈時，它會產生磁場將鉭線的超導性關掉。鉭的功能是「閘」，而鈮線圈的功能則為「控制」。

這個突破大大激勵了電腦零件微型化的遠景，雖然它需要液態氦以維持超導狀態。1957 年，《生活雜誌》（Life Magazine）為巴克做了全頁照片的報導，他一手拿著冷子管，另一手是舊式的真空管，同年，他獲得美國無線電工程師學會（the Institute of Radio Engineers）所頒發的 30 歲以下年輕工程師獎項。

巴克所做的冷子管越小的話，所能得到的處理速度就越快，因此他在 1950 年代後期所做的實驗都集中於研究進一步將零件縮小的方法。他和同事修德斯（Kenneth Shoulders）開始在實驗室使用鉛和錫的薄膜製造薄膜積體電路，並加上絕緣的氧化層。他還經由電子束平版印刷術技術的發展，來改進系統的機械強度，這樣當蝕刻他所謂的「微型印刷系統」時，即可減少化學劑的使用。

之後其他的科學家基於他的研究，於 1956 年發明了冷子管目錄記憶系統、IBM 的克羅威電池 ─ 克羅威（James W. Crowe）於 1957 年所申請的專利、約瑟夫接面（Josephson junction）、以及第一個超導量子干涉儀（SQUID）。現在，神經科學家可以使用腦磁圖儀（magnetoencephalography，MEG）繪製大腦的活動，都因這些開創性的發展，以及磁浮列車、高效率風力渦輪機、和粒子物理加速器的應用。

巴克的科學前景正蒸蒸日上，這讓他於 1959 年 32 歲時，因罹患「神秘疾病」突來的死訊更添悲劇性。他 1 年前才剛獲得博士學位。他在麻省理工學院的同學克勞福（Charles Crawford）在他死後回憶說：「以平常所說的野心來說，巴克沒有野心，巴克對他自己沒有野心，但他對全人類有野心。」

巴克（Dudley Allen Buck）

原文刊載於物理雙月刊2015年2月號37卷第1期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。