Kvantefysiker bruger grafenbånd til at bygge nanoskala kraftværker

Da Mickael Perrin startede på sin videnskabelige karriere for 12 år siden, havde han ingen mulighed for at vide, at han forskede i et område, der ville tiltrække bred offentlig interesse kun få år senere:Kvanteelektronik. "På det tidspunkt begyndte fysikere lige at tale om potentialet i kvanteteknologier og kvantecomputere," husker han.

"I dag er der snesevis af nystartede virksomheder på dette område, og regeringer og virksomheder investerer milliarder i at udvikle teknologien yderligere. Vi ser nu de første applikationer inden for datalogi, kryptografi, kommunikation og sensorer." Perrins forskning åbner op for et andet anvendelsesområde:Elproduktion ved hjælp af kvanteeffekter med næsten nul energitab. For at opnå dette kombinerer den 36-årige videnskabsmand to sædvanligvis separate discipliner inden for fysik:termodynamik og kvantemekanik.

I det forløbne år har kvaliteten af ​​Perrins forskning og dens potentiale for fremtidige ansøgninger givet ham to priser. Han modtog ikke kun et af ERC Starting Grants, der er så eftertragtet af unge forskere, men også et Eccellenza Professorial Fellowship fra Swiss National Science Foundation (SNS)F. Han leder nu en forskergruppe på ni hos Empa samt er adjunkt i kvanteelektronik ved ETH Zürich.

Ti tusinde gange mindre end et hår

Perrin fortæller os, at han aldrig anså sig selv for at have en naturlig gave til matematik. "Det var primært nysgerrighed, der skubbede mig i retning af fysik. Jeg ønskede at få en bedre forståelse af, hvordan verden omkring os fungerer, og fysik tilbyder fremragende værktøjer til at gøre netop det." Efter at have afsluttet gymnasiet i Amsterdam begyndte han en uddannelse i anvendt fysik ved Delft University of Technology (TU Delft) i 2005. Lige fra starten var Perrin mere interesseret i konkrete anvendelser end teori.

Det var, mens han studerede under Herre van der Zant, en pioner inden for kvanteelektronik, at Perrin for første gang oplevede fascinationen af ​​at konstruere små enheder i mikroskala og nanoskala. Han erkendte snart de uendelige muligheder, som molekylær elektronik giver, da kredsløb har helt forskellige egenskaber afhængigt af de valgte molekyler og materialer og kan bruges som transistorer, dioder eller sensorer.

Mens han studerede til sin doktorgrad, tilbragte Perrin meget tid i nanolab-renrummet på TU Delft - konstant indhyllet i en hvid helkropsdragt for at forhindre, at miniatureelektronikken blev forurenet af hår eller støvpartikler. Renrummet gav den teknologiske infrastruktur til at bygge maskiner på få nanometer store (ca. 10.000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår).

"Som en generel regel, jo mindre struktur, du vil bygge, jo større og dyrere er maskinen, du skal bruge for at gøre det," forklarer Perrin. Litografimaskiner, for eksempel, som bruges til at mønstre komplekse minikredsløb på mikrochips. "Nanofabrikation og eksperimentel fysik kræver en masse kreativitet og tålmodighed, fordi noget næsten altid går galt," siger Perrin. "Alligevel er det de mærkelige og uventede resultater, der ofte viser sig at være de mest spændende."

Graphene:Et mirakelmateriale

Et år efter at have afsluttet sin doktorgrad opnåede Perrin en stilling hos Empa i laboratoriet hos Michel Calame, en ekspert i at integrere kvantematerialer i nano-enheder. Siden da har Perrin – en fransk og schweizisk statsborger – boet i Dübendorf med sin partner og to døtre. "Schweiz var et godt valg for mig af flere grunde," siger han. "Forskningsinfrastrukturen er uden sidestykke."

Empa, ETH Zürich og IBM Research Center i Rüschlikon giver ham alt, hvad han behøver for at producere nanostrukturer, samt måleinstrumenter til at teste dem. "Jeg er også en udendørs type. Jeg elsker bjergene, og går ofte ture og står på ski med min familie." Perrin er også en ivrig klatrer. Nogle gange tager han sig selv af at klatre i fjerntliggende dale i uger ad gangen, ofte i Frankrig, som er hans families oprindelsesland.

Hos Empa havde denne unge forsker friheden til at fortsætte med at eksperimentere med nanomaterialer. Et bestemt materiale tiltrak hurtigt hans særlige opmærksomhed:Graphene nanoribbons, et materiale lavet af kulstofatomer, der er lige så tyndt som de enkelte atomer. Disse nanobånd er fremstillet med den største præcision af Roman Fasels gruppe hos Empa. Perrin var i stand til at vise, at disse bånd har unikke egenskaber og kan bruges til en hel række kvanteteknologier.

Samtidig begyndte han at interessere sig meget for at omdanne varme til elektrisk energi. I 2018 blev det faktisk bevist, at kvanteeffekter kan bruges til effektivt at omdanne termisk energi til elektricitet. Indtil nu har problemet været, at disse ønskelige fysiske egenskaber kun optræder ved meget lave temperaturer - tæt på det absolutte nulpunkt (0 Kelvin; -273,15°C). Dette er af ringe relevans for potentielle fremtidige applikationer såsom i smartphones eller minisensorer.

Perrin havde ideen om at omgå dette problem ved at bruge grafen nanobånd. Deres specifikke fysiske egenskaber betyder, at temperaturen har en meget mindre indflydelse på kvanteeffekterne – og dermed de ønskede termoelektriske effekter – end tilfældet er med andre materialer. Hans gruppe på Empa var snart i stand til at demonstrere, at kvanteeffekterne af grafen nanobånd stort set er bevaret selv ved 250 Kelvin, dvs. -23°C. I fremtiden forventes systemet også at fungere ved stuetemperatur.

Lavere strømforbrug takket være nanorør

Der er stadig mange udfordringer at overvinde, før teknologien vil gøre det muligt for vores smartphones at bruge mindre strøm. Ekstrem miniaturisering betyder, at specielle komponenter bliver ved med at være nødvendige for at sikre, at de indbyggede systemer rent faktisk fungerer. Perrin har sammen med kolleger fra Kina, Storbritannien og Schweiz for nylig vist, at kulstofnanorør på kun en nanometer i diameter kan integreres i disse systemer som elektroder.

Perrin vurderer dog, at det vil tage mindst 15 år endnu, før disse sarte og meget komplicerede materialer kan fremstilles i skala og inkorporeres i enheder. "Mit mål er at finde ud af det grundlæggende grundlag for at anvende denne teknologi. Først da vil vi være i stand til at måle dens potentiale til praktisk anvendelse."

Leveret af Swiss National Science Foundation