När Mickael Perrin började på sin vetenskapliga karriär för 12 år sedan, hade han ingen möjlighet att veta att han forskar inom ett område som bara några år senare skulle väcka stort allmänintresse:kvantelektronik. "På den tiden började fysiker precis tala om potentialen hos kvantteknologier och kvantdatorer", minns han.
"Idag finns det dussintals nystartade företag inom det här området, och regeringar och företag investerar miljarder i att utveckla tekniken ytterligare. Vi ser nu de första applikationerna inom datavetenskap, kryptografi, kommunikation och sensorer." Perrins forskning öppnar upp ett annat användningsområde:Elproduktion med kvanteffekter med nästan noll energiförlust. För att uppnå detta kombinerar den 36-årige forskaren två vanligtvis separata fysikdiscipliner:termodynamik och kvantmekanik.
Under det senaste året har kvaliteten på Perrins forskning och dess potential för framtida tillämpningar gett honom två utmärkelser. Han fick inte bara ett av ERC Starting Grants som är så eftertraktade av unga forskare, utan också ett Eccellenza Professorial Fellowship från Swiss National Science Foundation (SNS)F. Han leder nu en forskargrupp på nio vid Empa samt är biträdande professor i kvantelektronik vid ETH Zürich.
Perrin berättar att han aldrig ansåg sig ha en naturlig begåvning för matematik. "Det var framförallt nyfikenheten som drev mig i riktning mot fysiken. Jag ville få en bättre förståelse för hur världen omkring oss fungerar, och fysiken erbjuder utmärkta verktyg för att göra just det." Efter att ha avslutat gymnasiet i Amsterdam började han en examen i tillämpad fysik vid Delfts tekniska universitet (TU Delft) 2005. Redan från början var Perrin mer intresserad av konkreta tillämpningar än teori.
Det var när han studerade under Herre van der Zant, en pionjär inom kvantelektronikområdet, som Perrin först upplevde fascinationen av att konstruera små enheter i mikroskala och nanoskala. Han insåg snart de oändliga möjligheter som molekylär elektronik erbjuder, eftersom kretsar har helt olika egenskaper beroende på molekyler och material som valts och kan användas som transistorer, dioder eller sensorer.
Medan han studerade för sin doktorsexamen tillbringade Perrin mycket tid i nanolab-renrummet vid TU Delft – ständigt insvept i en vit helkroppsoverall för att förhindra att miniatyrelektroniken kontamineras av hår eller dammpartiklar. Renrummet gav den tekniska infrastrukturen för att bygga maskiner några nanometer stora (cirka 10 000 gånger mindre än diametern på ett människohår).
"Som en generell regel, ju mindre struktur du vill bygga, desto större och dyrare maskin kommer du att behöva för att göra det", förklarar Perrin. Litografimaskiner, till exempel, som används för att mönstra komplexa minikretsar på mikrochips. "Nanotillverkning och experimentell fysik kräver mycket kreativitet och tålamod, eftersom något nästan alltid går fel", säger Perrin. "Ändå är det de märkliga och oväntade resultaten som ofta visar sig vara de mest spännande."
Ett år efter att ha avslutat sin doktorsexamen fick Perrin en tjänst vid Empa i laboratoriet hos Michel Calame, en expert på att integrera kvantmaterial i nanoenheter. Sedan dess har Perrin – fransk och schweizisk medborgare – bott i Dübendorf med sin partner och två döttrar. "Schweiz var ett bra val för mig av flera anledningar", säger han. "Forskningsinfrastrukturen är oöverträffad."
Empa, ETH Zürich och IBM Research Center i Rüschlikon förser honom med allt han behöver för att producera nanostrukturer, samt mätinstrument för att testa dem. "Dessutom är jag en friluftstyp. Jag älskar bergen och går ofta och åker skidor med min familj." Perrin är också en ivrig bergsklättrare. Ibland klättrar han i avlägsna dalar i veckor i taget, ofta i Frankrike, som är hans familjs ursprungsland.
På Empa hade den här unga forskaren friheten att fortsätta experimentera med nanomaterial. Ett visst material väckte snart hans speciella uppmärksamhet:Nanorribbons av grafen, ett material tillverkat av kolatomer som är lika tunt som de enskilda atomerna. Dessa nanoband är tillverkade med största precision av Roman Fasels grupp på Empa. Perrin kunde visa att dessa band har unika egenskaper och kan användas för en hel rad kvantteknologier.
Samtidigt började han intressera sig för att omvandla värme till elektrisk energi. 2018 bevisades det faktiskt att kvanteffekter kan användas för att effektivt omvandla värmeenergi till elektricitet. Hittills har problemet varit att dessa önskvärda fysikaliska egenskaper endast uppträder vid mycket låga temperaturer – nära absolut noll (0 Kelvin; -273,15°C). Detta är av liten relevans för potentiella framtida applikationer som i smartphones eller minisensorer.
Perrin hade idén att kringgå detta problem genom att använda grafen nanoband. Deras specifika fysikaliska egenskaper gör att temperaturen har en mycket mindre inverkan på kvanteffekterna – och därmed de önskade termoelektriska effekterna – än vad som är fallet med andra material. Hans grupp på Empa kunde snart demonstrera att kvanteffekterna av grafen nanoband till stor del bevaras även vid 250 Kelvin, dvs -23°C. I framtiden förväntas systemet fungera i rumstemperatur också.
Det finns fortfarande många utmaningar att övervinna innan tekniken kommer att göra det möjligt för våra smartphones att använda mindre ström. Extrem miniatyrisering innebär att det hela tiden krävs speciella komponenter för att säkerställa att de byggda systemen faktiskt fungerar. Perrin, tillsammans med kollegor från Kina, Storbritannien och Schweiz, visade nyligen att kolnanorör bara en nanometer i diameter kan integreras i dessa system som elektroder.
Perrin uppskattar dock att det kommer att ta minst 15 år till innan dessa ömtåliga och mycket komplicerade material kan tillverkas i stor skala och införlivas i enheter. "Mitt mål är att ta fram den grundläggande grunden för att tillämpa denna teknik. Först då kommer vi att kunna bedöma dess potential för praktisk användning."
Tillhandahålls av Swiss National Science Foundation
