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John C. Slater

John Clarke Slater (22 de diciembre de 1900 - 25 de julio de 1976) fue un físico estadounidense que desarrolló la teoría de la estructura electrónica de átomos, moléculas y sólidos. [1] [2] [3] También hizo importantes contribuciones a la electrónica de microondas. [1] Recibió una licenciatura en física de la Universidad de Rochester en 1920 y un doctorado en física de Harvard en 1923, luego realizó trabajo postdoctoral en las universidades de Cambridge (brevemente) y Copenhague . A su regreso a los EE. UU., se unió al departamento de física de Harvard.

En 1930, Karl Compton , presidente del MIT , nombró a Slater director del departamento de física del MIT. Reformó el plan de estudios de física para estudiantes de grado, escribió 14 libros entre 1933 y 1968 y creó un departamento de prestigio internacional. Durante la Segunda Guerra Mundial, su trabajo sobre transmisión de microondas, realizado en parte en los Laboratorios Bell y en asociación con el Laboratorio de Radiación del MIT , fue significativo para el desarrollo del radar .

En 1950, Slater fundó el Grupo de Teoría Molecular y del Estado Sólido (SSMTG, por sus siglas en inglés) dentro del departamento de física. Al año siguiente, renunció a la presidencia del departamento y pasó un año en el Laboratorio Nacional Brookhaven de la Comisión de Energía Atómica. Fue nombrado profesor de Física del Instituto y continuó dirigiendo el trabajo en el SSMTG hasta que se jubiló del MIT en 1965, a la edad de jubilación obligatoria de 65 años.

Posteriormente se incorporó al Proyecto de Teoría Cuántica de la Universidad de Florida como profesor de investigación, donde la edad de jubilación le permitió trabajar otros cinco años. El SSMTG ha sido considerado [1] como el precursor del Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales (CMSE) del MIT. [4] Su autobiografía científica [5] y tres entrevistas [6] [7] presentan sus puntos de vista sobre la investigación, la educación y el papel de la ciencia en la sociedad.

Slater fue nominado al Premio Nobel , tanto en física como en química, varias veces, [8] y recibió la Medalla Nacional de Ciencias en 1970. En 1964, Slater y su padre, que entonces tenía 92 años y había dirigido el Departamento de Inglés en la Universidad de Rochester muchos años antes, recibieron títulos honorarios de esa universidad. El nombre de Slater es parte de los términos teoría de Bohr-Kramers-Slater , determinante de Slater y orbital de Slater .

Vida temprana y educación

El padre de Slater, nacido en Virginia, que había sido estudiante de grado en Harvard, se convirtió en director del Departamento de Inglés de la Universidad de Rochester, que también sería la alma mater de Slater. Los intereses juveniles de Slater eran los temas mecánicos, químicos y eléctricos. Cuando Slater ingresó en la Universidad de Rochester en 1917, tomó cursos de física y, como estudiante de último año, ayudó en el laboratorio de física e hizo su primera investigación independiente para una tesis especial de honores, una medición de la dependencia de la presión de las intensidades de las líneas de Balmer del hidrógeno.

Fue aceptado en la escuela de posgrado de Harvard, con la opción de una beca o una ayudantía. Eligió la ayudantía, durante la cual trabajó para Percy W. Bridgman . Siguió los cursos de Bridgman en física fundamental y se introdujo en la entonces nueva física cuántica con los cursos de EC Kemble. Completó el trabajo para el doctorado en tres años al publicar su artículo (1924) Compresibilidad de los haluros alcalinos , que incorporaba el trabajo de tesis que había hecho con Bridgman. Su corazón estaba en la teoría, y su primera publicación no fue su tesis doctoral, sino una nota (1924) a Nature sobre radiación y átomos. [9]

Después de recibir su doctorado, Slater obtuvo una beca Hamard Sheldon para estudiar en Europa. Pasó un período en Cambridge, Inglaterra, antes de ir a Copenhague. No tuvo una época feliz trabajando con Bohr, a quien encontró dominante y lamentó que su nombre estuviera asociado a la desafortunada teoría de Bohr-Kramers-Slater (BKS) . Slater ya tenía la idea de que era el fotón el que transportaba la energía de la radiación. Como relata:

Bohr fue muy amable, me invitó a la cena de Navidad, le conté mis ideas [sobre los fotones], le parecieron buenas, “pero, verá, son demasiado concretas”. Ahora bien, no podemos tener esta conservación exacta. No debemos pensar demasiado específicamente sobre los fotones. No tenemos fotones así”. En otras palabras, quería que todo fuera lo más vago posible. Kramers siempre fue el “sí” de Bohr y quería hacer exactamente lo mismo. Dijo: “Esta es una buena idea, si la modificamos de tal y tal manera”. Eso fue lo último que vi de él. Bohr y Kramers escribieron el artículo, me invitaron a firmarlo, la carta a Nature fue el primer párrafo del artículo, me invitaron a firmarlo, lo tomara o lo dejara. Esa fue mi experiencia con el Sr. Bohr y el Sr. Kramers. Desde entonces, se desarrolló de una manera muy interesante, a saber, que yo tenía razón y ellos estaban equivocados. No se dieron cuenta de esto hasta que llegó el Sr. Bothe con su experimento que demostraba que los fotones realmente estaban allí. Así que fracasé completamente en mi intento de establecer una conexión con Bohr. Podría haber establecido conexiones con Kramers si no hubiera sido por Bohr, pero Kramers estaba jugando completamente el juego de Bohr.

—  John C. Slater en relación con Thomas Kuhn, [10]

El lado positivo fue que el nombre de Slater se hizo conocido por su asociación con el de Bohr. Al regresar a Estados Unidos, Slater se incorporó al Departamento de Física de Harvard.

Carrera profesional

Presidente del Departamento de Física del MIT

Cuando se convirtió en presidente del MIT, Karl Compton "cortejó" a Slater para que presidiera el departamento de física. [11] "La administración (del departamento) le llevó mucho tiempo, más tiempo del que él (Slater) hubiera preferido. John era un buen presidente". [1] Los siguientes artículos de los sucesivos números del Informe anual del presidente del MIT [12] trazan el crecimiento y la visibilidad del departamento bajo el liderazgo de Slater, antes de la Segunda Guerra Mundial, y la capacidad del departamento para contribuir a la defensa durante la guerra. Las dos primeras citas son de capítulos escritos por Compton en los sucesivos informes. Las otras citas provienen de las secciones sobre el departamento, que escribió Slater. Estas incluyen declaraciones que afectan las políticas en la educación y la investigación en física en general, y muestran su profundo compromiso con ambos.

Creación de laboratorios interdepartamentales, mediante la reestructuración de los laboratorios existentes tomando como modelo la conversión del Laboratorio de Radiación en Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) de Julius Stratton y Albert Hill .
Financiar ayudantías estudiantiles y ayudar a dar forma al papel de la financiación gubernamental en una escala sin precedentes.
Supervisó el Centro de Radiactividad de Robley Evans (que contiene un ciclotrón) y el Laboratorio de Alto Voltaje de Van de Graaff.
Reclutar físicos familiarizados con el proyecto Manhattan para construir el Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Nuclear. [17] Este fue dirigido por Jerrold Zacharias . Entre sus primeros miembros se encontraban Bruno Rossi y Victor Weisskopf .
Creación del Laboratorio de Acústica, dirigido por Richard Bolt , y del Laboratorio de Espectroscopia dirigido por el químico Richard Lord .

Durante su presidencia, Slater enseñó, escribió libros, produjo ideas de gran importancia científica e interactuó con colegas de las comunidades científicas locales, nacionales e internacionales. En el plano personal, Morse afirma: "Durante la mayor parte (de la década de 1930) parecía más un estudiante universitario que un jefe de departamento... podía dejar a sus invitados muertos de risa simplemente contando... en danés". [1] Mucho después, SB Trickey escribió: "Aunque llegué a conocerlo razonablemente bien, nunca pude llamar a JC Slater por su nombre de pila. Su aparente distanciamiento resultó ser más bien timidez". [19]

Investigación

Átomos, moléculas y sólidos: investigaciones previas a la Segunda Guerra Mundial

En 1920, Slater había ido a Harvard para trabajar en un doctorado con Percy Bridgman , que estudiaba el comportamiento de las sustancias bajo presiones muy altas. Slater midió la compresibilidad de la sal común y otros diez haluros alcalinos (compuestos de litio, sodio, potasio y rubidio) con flúor, cloro y bromo. Describió los resultados como "exactamente en concordancia con las opiniones recientes de Bohr sobre la relación entre la estructura electrónica y la tabla periódica". Esto hizo que la observación de Slater sobre las propiedades mecánicas de los cristales iónicos estuviera en línea con la teoría que Bohr había basado en la espectroscopia de elementos gaseosos. Escribió el artículo sobre los haluros alcalinos en 1923, habiendo sido "en el verano de 1922" "profundamente adoctrinado... con la teoría cuántica", en parte por los cursos de Edwin Kemble tras una fascinación con el trabajo de Bohr durante sus días de estudiante universitario. [20] En 1924, Slater viajó a Europa con una beca Sheldon de Harvard. [21] Después de una breve estancia en la Universidad de Cambridge , fue a la Universidad de Copenhague , donde "explicó a Bohr y Kramers su idea (que era) una especie de precursora del principio de dualidad , (de ahí) el célebre artículo" sobre el trabajo que otros denominaron la teoría de Bohr-Kramers-Slater (BKS) . "Slater se convirtió de repente en un nombre conocido internacionalmente". [20] El interés en este artículo sobre la "vieja teoría cuántica" disminuyó con la llegada de la mecánica cuántica completa, pero la biografía de Philp M. Morse afirma que "en los últimos años se ha reconocido que las ideas correctas del artículo son las de Slater". [9] Slater habla de su vida temprana a través del viaje a Europa en una entrevista transcrita. [6]

Slater se incorporó a la facultad de Harvard a su regreso de Europa en 1925 y luego se trasladó al MIT en 1930. Sus trabajos de investigación abarcaron muchos temas. Una selección de trabajos año por año, hasta su cambio al trabajo relacionado con el radar, incluye:

En sus memorias, [1] Morse escribió: "Además de otros artículos notables... sobre... el campo autoconsistente de Hartree , [28] la derivación mecánico cuántica de la constante de Rydberg , [29] y los mejores valores de las constantes de apantallamiento atómico , [31] escribió un artículo seminal sobre la valencia directriz [32] " (lo que se conocería, más tarde, como combinación lineal de orbitales atómicos ). En comentarios posteriores, [20] John Van Vleck presta especial atención a (1) el estudio de 1925 de los espectros del hidrógeno y el helio ionizado, [25] que JVV considera que le falta una frase para proponer el espín del electrón (lo que habría llevado a compartir un premio Nobel), y (2) lo que JVV considera como el mejor artículo de Slater, que introdujo el objeto matemático ahora llamado determinante de Slater . [30] "Estos fueron algunos de los logros (que llevaron a su) elección a la Academia Nacional ... a los ... treinta y un años. Desempeñó un papel clave en elevar la física teórica estadounidense a un alto nivel internacional". [20] Los estudiantes de doctorado de Slater, durante este tiempo, incluyeron a Nathan Rosen, Ph.D. en 1932 por un estudio teórico de la molécula de hidrógeno, y William Shockley, Ph.D. en 1936 por una estructura de banda de energía del cloruro de sodio, quien más tarde recibió un Premio Nobel por el descubrimiento del transistor.

Investigación durante la guerra y retorno a las actividades en tiempos de paz

Slater, en su trabajo experimental y teórico sobre el magnetrón (los elementos clave eran paralelos a su trabajo previo con campos autoconsistentes para átomos [1] ) y sobre otros temas en el Laboratorio de Radiación y en los Laboratorios Bell, hizo "más que cualquier otra persona para proporcionar la comprensión necesaria para progresar en el campo de las microondas", en palabras de Mervin Kelley, entonces director de los Laboratorios Bell, citado por Morse. [1]

Las publicaciones de Slater durante la guerra y la recuperación de posguerra incluyen un libro y artículos sobre transmisión de microondas y electrónica de microondas, [48] [49] aceleradores lineales , [50] criogenia , [51] y, con Francis Bitter y varios otros colegas, superconductores , [52] Estas publicaciones dan crédito a los muchos otros científicos, matemáticos e ingenieros que participaron. Entre ellos, George H. Vineyard recibió su doctorado con Slater en 1943 por un estudio de la carga espacial en el magnetrón de cavidad. Más tarde, se convirtió en director del Laboratorio Nacional de Brookhaven y presidente de la Sociedad Estadounidense de Física. [53] El trabajo del Laboratorio de Radiación fue paralelo a la investigación en el Telecommunications Research Establishment en Inglaterra y los grupos mantuvieron una relación productiva. [48]

El grupo de teoría molecular y del estado sólido

Actividades

En palabras de Robert Nesbet: "Slater fundó el SSMTG con la idea de reunir a una generación más joven de estudiantes y posdoctorados con un interés común en la estructura electrónica y las propiedades de los átomos, las moléculas y los sólidos. Esto fue en parte para servir como un equilibrio para que la física electrónica sobreviviera al crecimiento abrumador de la física nuclear después de la guerra". [54]

George F. Koster pronto completó su doctorado, se unió a la facultad y se convirtió en el miembro más antiguo del grupo. Escribió: "Durante los quince años de vida del grupo, unas sesenta personas fueron miembros y treinta y cuatro obtuvieron títulos de doctorado con tesis relacionadas con su trabajo. En mi informe no he podido separar el trabajo de Slater del del grupo en su conjunto. Formó parte de cada aspecto de los esfuerzos de investigación del grupo". [55]

Nesbet continuó: "Cada mañana en el SSMTG comenzaba con una sesión de café, presidida por el Profesor Slater, con los miembros más jóvenes sentados alrededor de una mesa larga... Se esperaba que cada miembro del grupo contribuyera con un resumen de su propio trabajo e ideas para el Informe de Progreso Trimestral". [54] Los QPR del SMMTG tuvieron una amplia distribución en bibliotecas de investigación universitarias e industriales, y en laboratorios individuales. Se citaban ampliamente por su contenido científico y biográfico, en artículos de revistas e informes gubernamentales, y las bibliotecas están comenzando a ponerlos en línea. [56]

Para comenzar el trabajo del grupo, Slater "destiló su experiencia con el método de campo autoconsistente de Hartree " en (1) una simplificación que se conoció como el método Xα, [57] y (2) una relación entre una característica de este método y una propiedad magnética del sistema. [58] Esto requería cálculos que eran excesivos para el trabajo "con lápiz y papel". Slater se apresuró a aprovechar el SSMTG de las computadoras electrónicas que se estaban desarrollando. Un artículo temprano sobre ondas planas aumentadas [59] utilizó una calculadora programada con tarjeta IBM. La Whirlwind se utilizó mucho, luego la IBM 704 en el Centro de Computación del MIT y luego la IBM 709 en el Laboratorio de Computación Cooperativa (ver más abajo).

El trabajo sobre el estado sólido avanzó más rápidamente al principio en el SSMTG, con contribuciones durante los primeros años de George F. Koster, John Wood, Arthur Freeman y Leonard Mattheis. Los cálculos moleculares y atómicos también florecieron en manos de Fernando J. Corbató , Lee Allen y Alvin Meckler. Este trabajo inicial siguió líneas establecidas en gran medida por Slater. Michael Barnett llegó en 1958. Él y John Wood obtuvieron nombramientos en la facultad. Robert Nesbet, Brian Sutcliffe, Malcolm Harrison y Levente Szasz aportaron una variedad de enfoques adicionales a los problemas moleculares y atómicos. Jens Dahl, Alfred Switendick, Jules Moskowitz, Donald Merrifield y Russell Pitzer continuaron trabajando en moléculas, y Fred Quelle en sólidos.

Slater rara vez incluyó su nombre en los artículos de los miembros del SSMTG que trabajaron con él. Los trabajos más importantes de los que fue coautor trataron sobre aplicaciones de (1) la teoría de grupos en cálculos de estructura de bandas [60] y (2) características equivalentes de la combinación lineal de orbitales atómicos (LCAO) , enlaces fuertes y aproximaciones de electrones de Bloch , para interpolar resultados para los niveles de energía de los sólidos, obtenidos mediante métodos más precisos, [61]

Gente

A continuación se incluye una lista parcial de los miembros del SSMTG (estudiantes de doctorado, miembros postdoctorales, personal de investigación y profesores, en algunos casos sucesivamente, etiquetados como †, ‡, ৳, ¶), junto con referencias que informan sobre sus actividades en el SSMTG y posteriores.

Entre los visitantes ilustres se encontraban Frank Boys , Alex Dalgarno , Ugo Fano , Anders Fröman, Inga Fischer-Hjalmars , Douglas Hartree , Werner Heisenberg , Per-Olov Löwdin , Chaim Pekeris , Ivar Waller y Peter Wohlfarth .

Otras actividades de Slater en el MIT durante este tiempo

En el Informe del Presidente de 1962, Jay Stratton escribió (p. 17): "Un comité de la facultad bajo la presidencia del Profesor John C. Slater ha asumido la responsabilidad principal de planificar las instalaciones del nuevo Centro de Materiales. Estas incluyen un nuevo Laboratorio de Computación Cooperativa completado este año y equipado con una computadora IBM 709". [12]

Poco después se adoptó el nombre de Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales (CMSE, por sus siglas en inglés). Encarnaba el espíritu de investigación y enseñanza interdepartamental que Slater había defendido a lo largo de su carrera. [5] El primer director fue RA Smith, anteriormente jefe de la división de física del Royal Radar Establishment en Inglaterra. Él, Slater y Charles Townes , el rector, se conocían muy bien desde los primeros años de la Segunda Guerra Mundial y trabajaban en temas superpuestos. [83]

El centro se creó de acuerdo con los planes de Slater. "Apoyaba la investigación y la enseñanza en metalurgia y ciencia de los materiales, ingeniería eléctrica, física, química e ingeniería química", [83] y preservaba al MIT como foco de trabajo en física del estado sólido. En 1967, dos años después de que Slater se marchara, el Departamento de Física del MIT "tenía un compromiso muy, muy pequeño con la física de la materia condensada" porque estaba "muy metido en la física de alta energía". [84] Pero en el mismo año, el personal del CMSE incluía 55 profesores y 179 estudiantes de posgrado. [83] El Centro sigue floreciendo en el siglo XXI. [4]

El Laboratorio de Computación Cooperativa (CCL) fue utilizado, en su primer año, por unos 400 profesores, estudiantes y personal. Entre ellos se encontraban (1) miembros del SSMTG y del CCL que realizaban cálculos mecánicos cuánticos y aplicaciones no numéricas [63] dirigidos por Slater, Koster, Wood y Barnett, (2) el equipo de diseño asistido por ordenador de Ross , Coons y Mann, (3) miembros del Laboratorio de Ciencias Nucleares, (4) Charney y Phillips en meteorología teórica, y (5) Simpson y Madden en geofísica (del informe del presidente de 1964, pág. 336-337). [12]

Vida personal y muerte

En 1926 se casó con Helen Frankenfeld. Sus tres hijos (Louise Chapin, John Frederick y Clarke Rothwell) siguieron carreras académicas. Slater se divorció y en 1954 se casó con Rose Mooney , una física y cristalógrafa, que se mudó con él a Florida en 1965. [1] [9]

En la Universidad de Florida (Gainesville), donde la edad de jubilación era de 70 años, Slater pudo disfrutar de otros cinco años de investigación activa y publicación como profesor de investigación en el Proyecto de Teoría Cuántica (QTP). En 1975, en su autobiografía científica, escribió: "El Departamento de Física de Florida era agradable, con énfasis principal en física del estado sólido, física estadística y campos relacionados. Me recordaba al departamento del MIT en los días en que había sido jefe de departamento allí. Era muy diferente del Departamento de Física del MIT que estaba dejando; para entonces, había sido literalmente capturado por los teóricos nucleares". [5] Slater publicó hasta el final de su vida: su último artículo en una revista, publicado con John Connolly en 1976, fue sobre un enfoque novedoso para la teoría de orbitales moleculares. [85]

Slater murió en la isla Sanibel, Florida, en 1976.

Como educador y asesor

La preocupación de Slater por los demás se ilustra en un diálogo que relata Richard Feynman . Ocurrió al final de los días de estudiante de Feynman en el MIT, cuando quería quedarse para hacer un doctorado. [86] "Cuando fui a ver al profesor Slater y le conté mis intenciones, me dijo: 'No te aceptaremos aquí'. Le dije: '¿Qué?' Slater me dijo: '¿Por qué crees que deberías ir a la escuela de posgrado en el MIT?' 'Porque es la mejor escuela de ciencias del país'... 'Por eso deberías ir a otra escuela. Deberías averiguar cómo es el resto del mundo'. Así que fui a Princeton... Slater tenía razón. Y a menudo les aconsejo lo mismo a mis estudiantes. Aprendan cómo es el resto del mundo. La variedad vale la pena".

Resumen

De las memorias de Philip Morse: "Contribuyó significativamente al inicio de la revolución cuántica en la física; fue uno de los pocos físicos formados en Estados Unidos que lo hizo. Fue excepcional porque persistió en la exploración de la física atómica, molecular y del estado sólido, mientras que muchos de sus pares se vieron obligados por la guerra o tentados por la novedad a desviarse hacia los misterios nucleares". [1]

Parafraseando a John Connolly, [87] se puede decir que las contribuciones de John C. Slater y sus estudiantes en el SSMTG y el Proyecto de Teoría Cuántica sentaron las bases de la aproximación de la teoría del funcional de la densidad en la teoría cuántica.

Los documentos de Slater fueron legados a la Sociedad Filosófica Americana por su viuda, Rose Mooney Slater, en 1980 y 1982. [88] En agosto de 2003, Alfred Switendick donó una colección de informes trimestrales del Grupo de Teoría Molecular y del Estado Sólido del MIT (SSMTG) , que datan de 1951 a 1965.

Premios y honores

Libros

Referencias

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