Jan Folkvard Evensen, Onkolog, Nesodden, jan.f.evensen@gmail.com

Som en avrunding på mine tidligere fysikk/kjemi inspirerte innlegg i Onkonytt kunne jeg tenke meg å si noen ord om norske Nobelpris vinnere, matematisk-naturvitenskaplig klasse: Lars Onsager (1903-1976), Odd Hassel (1897-1981) og Ivar Giæver (1929). Onsager og Hassel fikk Nobelprisen i kjemi i hhv. 1968 og 1969. Giæver fikk Nobelprisen i fysikk i 1973. Jeg har hatt gleden av å ha hørt alle tre forelese.

Fig. 1: Ivar Giæver (1929-)

Ivar Giæver (Fig. 1) ble født i Bergen i 1929. Begge hans foreldre var apotekere. De flyttet til Lena med sønnene John og Ivar to måneder etter at Ivar var født. Senere fikk guttene en søster, Anne Margrethe. Underholdningstilbudet på landsbygda, to mil fra Gjøvik, var relativt beskjedent. Det meste av tiden gikk til med å lese bøker som var innkjøpt fra København, familiens felles hobby.

Sammen med sin eldre bror ­flyttet Ivar 15 år gammel til Hamar for å ta artium. Etter artium dro han til Trondheim for å studere ved NTH. Til tross for utmerket talent for realfag og en artium tett oppunder prae ceteris kom han ikke inn på ønsket studium, elektroteknikk. Det skjedde mye på elektroteknikksiden på den tiden. Halvleder-transistoren var nylig utviklet i USA. Her lå fremtiden til radio, TV, data og kommunikasjons­teknologi. Det var nettopp dette Giæver så som det mest interessante. Han kom heller ikke inn på kjemilinjen og endte opp på maskinlinjen, sivilingeniør ville han bli. Han ble immatrikulert 1. september 1948. Han var ikke altfor interessert i maskin­faget, desto mer interessert i hva som foregikk på Studentersamfunnet, eller «Huset». Her drev han det langt innen biljard, sjakk og bridge. Han levde et nokså uansvarlig studentliv og etter to år mente han seg ute av stand til å ta eksamen i matematikk og fysikk. Han planla å stå over eksamen og heller ta militærtjenesten. Han ble imidlertid overtalt av en kamerat til å ta eksamen, ikke minst for å høste erfaring. Han gikk opp og besto begge eksamener, med lavest mulig ståkarakter, 4.0 i ­begge. Han ga senere uttrykk for å ha vært en dårlig student. Så ille var det dog ikke. Han gikk ut som sivilingeniør i maskinfag høsten 1952, med hovedkarakter 2.6. Etter avsluttende eksamen ventet verneplikt på Jørstadmoen. Han ble far til en sønn omtrent samtidig som han dimitterte. 

I likhet med Einstein fikk han sin første jobb på et patentkontor. Han ble ansatt i det statlige Patentstyret under Industridepartementet i Oslo. Lønna på patentkontoret var dårlig. Et annet problem var at det var svært vanskelig å finne seg husvære i Oslo, så vidt vrient at kona Inger måtte flytte hjem til sine foreldre på Skreia med barnet. Etter et mislykket forsøk på å regi­strere seg i OBOS bestemte Giæver seg for å emigrere til Amerika. Han skaffet seg visum til Canada. I forsøk på å skaffe seg arbeid her var NTH papirene lite verdt. Han måtte ta arbeid som assistent på et arkitektkontor, også her med dårlig lønn. Etter hvert fikk han imidlertid bedre betalt arbeid i Canadian General Electric i Peterborough. Dette var en underavdeling av det USA-baserte General Electric (GE) som hadde store fabrikker sør for grensen, i byen Schenectady i delstaten New York. Ikke nok med det, lønna var bedre. Han søkte seg overført til USA. Etter noe om og men tok han sjansen på å dra med familien. De slo seg ned i forstaden Niskayuna ved Schenectady. Hans første jobb i GE var, utrolig nok, som anvendt matematiker, en jobb han hadde i 2 år. Deretter utdannet han seg videre innen GE. Han gjorde et godt inntrykk, noe som åpnet veien hans videre innen GE som bl.a. hadde et stort forskningslaboratorium i Schenectady. Her fantes det mange fremstående fysikere med et godt navn også utenfor USA. Giæver var fascinert av den intellektuelle frihet ved laboratoriet hvor man stort sett kunne jobbe med det man fant interessant. Hvordan han fikk jobb der forklarer han med sine dårlige karakterer fra NTH, laveste ståkarakter i fysikk og matematikk 4.0. Til alt hell var 4.0 den beste karakter i USA (1).

SUPERLEDNING OG ­TUNNELEFFEKT

Det er to fenomener man må kjenne til når Giævers forskning skal omtales: superledning og tunneleffekt. 

Superledning er det fenomen at elektrisk motstand forsvinner i visse metaller når temperaturen kommer under et visst kritisk nivå T_c (Fig.2). Fenomenet ble oppdaget i kvikksølv av Heike Kammerlingh-Onnes (1853-1926) i 1911 (2), men først forklart i 1957 av Bardeen, Cooper og Schrieffer (BCS-teorien) (3). I en superleder er det ikke individuelle elektroner som bærer strømmen, men bundne par av elektroner, et såkalt Cooper par. De dannes ved å vekselvirke med atomvibrasjoner i lederen (elektron-fonon-vekselvirkning). Elektronene har motsatt spinn, -1/2 og +1/2, i sum 0. Man får en kvasipartikkel med heltallig spinn (0), m.a.o. et boson. Det er et rent makroskopisk kvantefenomen og lar seg ikke forklare med klassisk fysikk.

Figur 2: Elektrisk motstand som funksjon av temperatur for en vanlig leder og en superleder. Tc er den kritiske temperaturen når motstanden faller til null. For kvikksølv er Tc 4.15 K (Ginsberg DM. Superconductivity. Encyclopedia Britannica on-line.)BORI

Når Cooper-parene dannes, oppstår et energi-gap i ledningsbåndet (om energi­/ledningsbånd se (4)). Bosoner adlyder ikke Paulis eksklusjons­prinsipp og kan befinne seg i samme kvante­tilstand. De kondenseres kollektivt i laveste tilgjengelige energinivå i den superledende tilstand (Bose kondensat). Frie elektroner er derimot fermioner. Energi gapet som dannes separerer det okkuperte Bose nivå og lavest tilgjengelig Fermi nivå. Enkelt sagt, energi gapet er energien som trengs for å bryte ned Cooper paret til frie elektroner, = Cooper parets bindings­energi. Før energi-gapet oppstod kunne elektroner spres av urenheter i metallet med vilkårlig liten energi-overføring og være årsak til elektrisk motstand.

Etter at energi-gapet har oppstått, vil disse mekanismene bli for svake til å spre de nye kvasipartiklene i den superledende tilstanden, fordi kvasipartiklene må eksiteres over et energi-gap for å spres. Den nye kvantetilstanden er beskyttet mot spredning av ladningsbærere av et energi-gap. Dermed blir elektrisk motstand null.

Industri basert på superledning tok til på 60-tallet, en industri som tok fart for alvor i forbindelse med MRI på 80-tallet. Dette er uten sammenlikning den viktigste bruken av superledere i dag. Superledning har også vært til stor hjelp innen akselerator teknologi, f.eks. til protonbehandling. Protonakseleratoren ved Radiumhospitalet er en superkjølt syklotron. Uheldigvis måtte den byttes ut grunnet heliumlekkasje. Helium er flytende fra 0 til 4.2 K. Helium kan ikke fryse idet det ikke har et trippel­punkt, tilstanden hvor fastfase, flytende­fase og gassfase er i likevekt. 

Figur 3: En enkel fremstilling av tunell effekt. En partikkel, i form av en bølge med energi E, ­passerer en barriere (potensiell energi U0 > E ) den egentlig ikke har nok energi til å passere. I hht. til kvantemekanikk (løsning av Schrødinger likningen) er det en viss sannsynlighet for at dette skjer (Samuel J Ling, Physics Bootcamp).

Tunneleffekt er det fenomen at en partikkel med en viss sannsynlighet kan trenge gjennom en barriere som den ifølge klassisk fysikk ikke har nok energi til å passere. Dette er også et rent kvantemekanisk fenomen muliggjort ved at i kvantemekanikk utviser partikler bølgeegenskaper (5) (Fig. 3). Fenomenet ble forklart av George Gamow (1904-1968) i 1928 (6). Det er bl.a. denne mekanismen som kommer til uttrykk ved emisjon av alfapartikler (alpha decay (Fig. 4)) fra Ra 223 i Xofigo ®. Ra 223 henfaller til bly (Pb 207) (7).

Figur 4: Alfa henfall som i Xofigo®. En alfapartikkel er en helium kjerne

«I kvantefysikk er absolutte målinger erstattet med sannsynlighet, her er ingen ting umulig, det umulige tar bare litt lenger tid».

Giæver var i utgangspunktet skeptisk til både tunneleffekt og superledning. Vi skal huske på at Giæver ikke var fysiker i utgangspunktet, men maskin­ingeniør. På den måten var han en faglig outsider. Han barket imidlertid løs på problemet tunneleffekt etter forslag fra sin mentor John C. Fisher (1919-2018). Uten å gå alt for mye i detalj, eksperimentet gikk kort fortalt ut på å bringe to metall tett sammen uten å være i direkte kontakt. Tett sammen i denne sammenheng betød noen får atomavstander. Å få til et så tynt isolerende lag var ikke enkelt. De løste problemet ved å dampe på en tynn aluminiums film på et objektglass. Så lot de det øverste filmlaget oksidere. De hadde da en aluminiums film med et elektrisk isolerende aluminiums­oksid på overflaten. Dette foregikk inne i en evakuert glassklokke (Fig. 5). Ved å dampe på et nytt aluminiumslag hadde de to ledere adskilt med en elektrisk isolerende vegg, eller barriere (Fig. 6). Ved å legge en spenning over de to ledere gikk det en strøm (les elektroner) gjennom oksidveggen, helt i samsvar med teorien for tunneleffekt. 

Figur 6: Ivar Giæver med objektglass pådampet aluminiums filmer

Figur 5: Ivar Giæver med glassklokken hvor han laget tynnfilmstrukturene som la det eksperimentelle grunnlagt for nobelprisarbeidet.

Etter å ha påvist tunneleffekt mellom to ledere, påviste han tunneleffekt mellom en leder og en superleder og endelig, mellom to superledere. I tillegg til å ha påvist tunneleffekten målte han også det forbudte energi gapet i forskjellige superledere. Energi gapet i en superleder er en sentral del av BCS-teorien som ble lansert i 1957. 

I oktober 1973 bekjentgjorde Nobel­komitéen for fysikk, Kungliga Vetenskapsakademien følgende: «The 1973 Nobel Prize for physics has been awarded to Drs. Leo Esaki (1/4), Ivar Giaever (1/4) and Brian Josephson (1/2) for their discoveries of tunnelling phenomena in solids. The tunnelling phenomena belong to the most direct consequences of the laws of modern physics and have no analogy in ­classical mechanics». 

Prisen ble tildelt for arbeid innen kvantemekanikk, særlig knyttet til elektron-tunneleffekt, ved transport av elektroner gjennom en tynn, ­isolerende film som skiller to metalliske ledere i superledende tilstand.

Det skal nevnes at John Bardeen (1908-1991) nominerte Esaki, Giæver og Josephson til nobelprisen, i nevnte rekkefølge. Bardeen, Cooper og Schrieffer hadde fått nobelprisen året før for BCS-teorien, noe som kvalifiserte til å foreslå kandidater. Det var for øvrig Bardeens andre nobelpris. Han fikk fysikkprisen i 1956 for å ha oppfunnet transistoren.

Giævers nobelforedrag innledes som følger: In my laboratory notebook dated May 2, 1960 is the entry: “Friday, april 22, I performed the following experiment aimed at measuring the forbidden gap in a superconductor.” Giæver verifiserte altså energi gapet i BCS-teorien kun tre år etter at teorien ble lansert. Det geniale var at han så at man kunne bruke tunnel effekt til å måle energi gapet. 

Som nevnt fikk Giæver nobelprisen sammen med Leo Esaki (1925-) og Brian D Josephson (1940-), Esaki for tunnelering mellom halvledere og Josephson for «Josephson-effekten». Giæver hadde vist at ett og ett elektron kunne tunnelere gjennom en barriere. Josephson hadde regnet ut at også Cooper par kunne tunnelere (Fig. 7). Josephsons arbeid var en konsekvens av Giæver sitt, og må karakteriseres som en andrehånds avledning av Giævers arbeid. Det er derfor litt underlig at Josephson fikk halve prisen, mens Giæver bare fikk en firedel. 

Figur 7: Josephsoneffekt – Et Cooper-par, kan tunnellere fra en superleder til en annen superleder gjennom en isolerende barriere, uten elektrisk motstand (Jacob Linder, Store Norske Leksikon)

I tiden som fulgte arbeidet Giæver med å perfeksjonere eksperimentene med superledning. Noen av måling­ene hans viste avvik fra BCS-teorien, noe teoretikerne måtte se nærmere på. Dette avstedkom ytterligere bevis for at de atomære svingninger (­fononer) i materialet var grunnleggende for å danne Cooper-par som ligger til grunn for superledning.

Da Giæver fikk Nobelprisen i 1973 hadde han forlatt lavtemperatur fysikken som forskningsfelt. Fra ­tidlig 70-tall viet han sine krefter til mitt gamle felt, biofysikk. I biofysikk ­opererer man i grenseområdet mellom fysikk, kjemi, biologi og medisin. Man anvender fysikk og matematisk analyse til å forklare biologiske fenomener. 

Noe av bakgrunnen for skifte av fagfelt var at han fikk et Guggenheim-stipend som muliggjorde et sabbatsår i Cambridge. Her studerte han biologi og ble svært fascinert av boken til James D Watson: The Double Helix, første gang publisert i Storbritannia i 1968 av Weidenfeld and Nicolson, London.

Da han vendte tilbake etter oppholdet i Cambridge startet han opp med biofysiske eksperimenter. Man skal huske på at Giæver var eksperimentalfysiker, og som det opptatt av å gjøre presise målinger. Der hadde man litt «å gå på» i biofysikk på den tiden. Hans fysikk tilnærming til biologien skulle prege resten av hans faglige karriere. 

Først ga han seg i kast med immuno­logi og tok i bruk flere ulike måle­metoder. Han utviklet bl.a. en metode til å påvise proteiner i løsning: ­enzymer, hormoner eller antistoffer. Han la et belegg med metallpartikler på et objektglass. Når dette ble eksponert for et kjent antigen ble glasset dekket av et synlig monomolekylært lag av antigenet. Når glasset så ble eksponert for serum og det dannet seg et nytt synlig lag på glasset hadde man påvist aktuelle antigens antistoff. På denne måten utviklet han tester for hepatitt B og HIV (8). Metoden ble imidlertid ikke kommersialisert.

Midt på 70-tallet knyttet han seg til Salk instituttet, opprettet av Jonas E Salk (1914-1995). I samarbeid med Salk jr. lærte han å dyrke celler. Like etter innledet han et samarbeid med en av mine tidligere fysikklærere, Jens Feder (1939-2019) og Charles R. Keese, fysiker med doktorgrad i biologi. Sammen studerte de hvordan ferritin krystalliserte på overflater (9). 

Samarbeidet med Keese ble etter hvert mer rettet mot celledyrkning og cellers vekselvirkning med proteindekte overflater. Omfattende studier av cellers egenskaper og respons med elektrisk måleteknikk ble utført. Sammen opprettet de firmaet Applied BioPhysics hvis forretningside var å utvikle medisinske analyseinstrumenter med bakgrunn i avansert forskning innen biofysikk.

Det var mens jeg selv testet NHIK 3025 cellers følsomhet for ioniserende og ikke-ioniserende stråling jeg hadde gleden av å høre Giæver forelese på et av hans mange besøk til UiO. NHIK 3025 celler er som HeLa-celler en cellelinje med cervixcancer som utgangspunkt. HeLa cellelinjen ble etablert i 1951 ved Johns Hopkins Hospital (10). NHIK 3025 cellelinjen ble ­etablert ved Norsk Hydros Institutt for Kreftforskning i 1969 (11).

Det ble gjort flere forsøk på å få Giæver til å søke på professorat både ved UiO og NTH, uten at det lyktes. Dog foreleste han en periode faststoff fysikk ved Fysisk Institutt, UiO. I 1989 fikk Giæver et såkalt Vista professorat, betalt av Statoils grunnforskningsprogram. Dette gjorde det mulig for Giæver å arbeide 3 måneder hver ­sommer ved UiO. Fagområdet hans da var hele tiden biofysikk. 

Giæver var en ypperlig foreleser. Han var morsom og kunne provosere, men det faglige budskap ble perfekt avlevert på enklest mulig måte.

Han var svært kritisk til overdreven norsk interesse for sport, det kalte han en skandale, selv om han selv var en svært god utøver av tennis og alpin. Han kunne åpne en forelesning med bilde av Grete Waitz, som alle kjente, hvoretter han viste et bilde av Lars Onsager, som ingen kjente. Det burde ikke være noe problem for den som leste siste Onkonytt.

I tillegg til Nobelprisen i 1973 mottok Giæver mange æresbevisninger. I New York ble han utnevnt til Årets Oppfinner i 1974. Ved NTNU ble han tildelt Onsager medaljen i 2003. I 1976 ble han kreert til æresdoktor ved UiO, og i 1985 ble han æresdoktor ved sitt alma mater, NTH.

Merkelig nok, på sine eldre dager pådro Giæver seg en litt lei lidelse, nobelitis. Nobelitis, eller Nobel ­disease, er det fenomen at tidligere nobelprisvinnere utaler seg med ­tyngde om noe de ikke har greie på. 

Giæver er «fellow» ved tankesmien The Heartland Institute som blant annet stiller seg tvilende til påstandene om at menneskelige CO₂ utslipp forårsaker dramatiske klima­endringer. Heartland Institute er ellers mest kjent for deres lange kampanje, støttet av tobakksindustrien, med hensikt å vise at røyking ikke er skadelig, med mange bidrag fra Ivar Giæver. I Norge er Giæver medlem av Klimarealistenes vitenskapelige råd.

Giæver er så vidt jeg vet ikke avbildet på frimerke.

PS: I forrige nummer av Onkonytt skrev jeg om Hassel. Der hadde jeg et lite avsnitt om proteiner og Alphafold. Like etter jeg var ferdig med manuskriptet om Giæver annonserer Kungliga Vetenskapsakademien i Stockholm: 

The Nobel Prize in Chemistry 2024 is about proteins, life’s ingenious chemical tools. David Baker has succeeded with the almost impossible feat of building entirely new kinds of proteins. Demis Hassabis and John Jumper have developed an AI model to solve a 50-year-old problem: ­predicting ­proteins’ complex ­structures. These discoveries hold enormous potential.

Nobelprisen i kjemi 2024 gikk kort og godt til hva jeg skrev om i avsnittet: OM PROTEINER.

Referanser:

1: Fossheim K: Ivar Giæver, Fysikkprisen 1973. I Norske Nobelprisvinnere. Red. Olav Njølstad

2: Kamerlingh Onnes, H., “Further experiments with liquid helium. D. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures, etc. V. The disappearance of the resistance of mercury.” Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden; No. 122b, 1911.

3. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer. Theory of Superconductivity. Phys. Rev. 108, 1175 (1957). 

4. Evensen JF: Stråleuhellet på Kjeller 1982. Onkonytt 2019; Nr. 1: 62-68.

5. Evensen JF: Om partikler, antipartikler og Positron EmisjonsTomografi (PET). Onkonytt 2017; Nr. 2: 8-13. 

6. Gamow, G. The Quantum Theory of Nuclear Disintegration. Nature 122, 805–806 (1928).

7. Evensen JF. Helsebringende kjernefysikk. Onkonytt 2022; Nr. 2: 10-17

8. Giæver I, Laffin RJ: Visual Detection of Hepatitis B Antigen. Proc Natl Acad Sci U S A. 1974 Nov;71(11):4533–4535.

9.Feder J, Giæver I: Adsorption of Ferritin. J of Surface Colloid. Sci. 1980; 78: 144

10. Rebecca Skloot: The Immortal Life of Henrietta Lacks, Pan Books 2011

11. Nordbye K., Oftebro R.: Establishment of four new cell strains from human uterine cervix I. Exp. Cell Res. 58:458-458(1969)