Квантовый физик Микаэль Перрен используетКонструкция графеновой лентыНаноразмерные электростанции, которые преобразуют отходящее тепло электрооборудования в электричество. .Когда Микаэль Перрен начал свою научную карьеру 12 лет назад, он понятия не имел, что работает в области, которая всего несколько лет спустя вызовет широкий общественный интерес: квантовой электронике.

Он напомнил: «В то время физики только начинали говорить о квантовой технологии и потенциале квантовых компьютеров. Сегодня в этой области существуют десятки стартапов, а правительства и компании инвестируют миллиарды долларов в дальнейшее развитие этой технологии. Сейчас мы видим первые приложения в информатике, криптографии, коммуникациях и сенсорах».

Исследования Перрина открывают еще одну область применения: использование квантовых эффектов для генерации электроэнергии практически с нулевыми потерями энергии. Чтобы добиться этого, 36-летний ученый объединил две обычно отдельные дисциплины физики: термодинамику и квантовую механику.


Микал Перрин. Источник изображения: СНФ

В прошлом году качество исследований Перрена и их потенциал для будущих применений принесли ему два отличия: он не только получил один из стартовых фондов Европейского исследовательского совета, желанный вариант для молодых исследователей, но также получил профессорскую стипендию Eccellenza от Швейцарского национального научного фонда (SNS) F. Сейчас он возглавляет исследовательскую группу из девяти человек в Empa, а также является доцентом кафедры квантовой электроники в ETH Zurich.

После окончания средней школы в Амстердаме в 2005 году он начал учиться на факультете прикладной физики в Делфтском технологическом университете. С самого начала Перрен больше интересовался практическими приложениями, чем теорией.

Именно во время учебы у Херревандера Занта, пионера в области квантовой электроники, Перрин впервые ощутил очарование разработки микро- и наноустройств. Вскоре он осознал безграничные возможности молекулярной электроники, поскольку схемы имеют совершенно разные свойства в зависимости от выбранных молекул и материалов и могут функционировать как транзисторы, диоды или датчики.

Проблемы наноинженерии

Во время работы над докторской диссертацией Перрин проводил много времени в чистых помещениях нанолаборатории Делфтского технического университета, всегда надев белый капюшон, чтобы волосы или частицы пыли не загрязняли крошечную электронику. Чистые помещения обеспечивают техническую основу для создания машин размером в несколько нанометров (примерно в 10 000 раз меньше диаметра человеческого волоса).

«Вообще говоря, чем меньше конструкция, которую вы хотите построить, тем крупнее и дороже машина вам нужна», — объясняет Перрин. «Например, литографические машины используются для рисования сложных рисунков микросхем на микрочипах. Нанопроизводство и экспериментальная физика требуют большого творчества и терпения, потому что почти всегда что-то идет не так. Однако именно странные и неожиданные результаты часто являются самыми захватывающими».

Через год после получения докторской степени Перрен получил должность в лаборатории Мишеля Калама. С тех пор гражданин Франции и Швейцарии живет в Дюбендорфе со своим партнером и двумя дочерьми.

В Empa молодой исследователь может продолжать экспериментировать с наноматериалами. Вскоре его внимание особенно привлек один материал: графеновые наноленты, материал, состоящий из атомов углерода толщиной с отдельные атомы. Наноленты были изготовлены с высочайшей точностью исследовательской группой Романа Фазеля в Empa. Перрин смог продемонстрировать, что эти наноленты обладают уникальными свойствами, которые можно использовать в ряде квантовых технологий.

В то же время он начал уделять пристальное внимание преобразованию тепловой энергии в электричество. В 2018 году было продемонстрировано, что квантовые эффекты можно использовать для эффективного преобразования тепловой энергии в электричество.

Пока проблема в том, что эти идеальные физические свойства проявляются только при чрезвычайно низких температурах – близких кАбсолютный ноль (0 Кельвина; -273°С). Это не имеет ничего общего с потенциальными будущими приложениями, такими как смартфоны или крошечные датчики. Пэйлин пришла в голову идея использовать графеновые наноленты, чтобы обойти эту проблему. По сравнению с другими материалами, особые физические свойства графеновых нанолент означают, что температура оказывает гораздо меньшее влияние на квантовые эффекты, что упрощает создание идеальных термоэлектрических эффектов.

Его исследовательская группа в Эмпе вскоре показала, что квантовые эффекты графеновых нанолент остаются практически неизменными даже при 250 Кельвинах (минус 23 градуса Цельсия). Ожидается, что в будущем система будет работать при комнатной температуре.

Будущие вызовы и амбиции

要使我们的智能手机使用更少的电能，还有许多挑战需要克服。极度微型化意味着不断需要特殊元件，以确保内置系统能够真正工作。

Пэйлин вместе с коллегами из Китая, Великобритании и Швейцарии недавно обнаружили, что углеродные нанотрубки диаметром всего один нанометр могут быть интегрированы в эти системы в качестве электродов. Однако, по оценкам Пэйлин, пройдет как минимум 15 лет, прежде чем эти деликатные и очень сложные материалы можно будет производить в больших масштабах и интегрировать в устройства.

«Моя цель — разработать базовую основу для применения этой технологии. Только тогда мы сможем оценить ее потенциал для практического применения».

Источник составления: ScitechDaily.