El físico cuántico Michael Perrin lo utiliza Grafeno Listones para la construcción Nanoescala Centrales eléctricas que convierten el calor residual de equipos eléctricos en electricidad.

Cuando Michael Perrin comenzó su carrera científica hace 12 años, no tenía forma de saber que estaba realizando una investigación en un campo que atraería un amplio interés público unos años más tarde: la electrónica cuántica.

“En aquella época, los físicos apenas empezaban a hablar del potencial de las tecnologías cuánticas y de los ordenadores cuánticos”, recuerda. “Hoy en día hay decenas de nuevas empresas en este campo, y los gobiernos y las empresas están invirtiendo miles de millones en el desarrollo de la tecnología. Ahora estamos viendo las primeras aplicaciones en informática, criptografía, comunicaciones y sensores.

La investigación de Perrin abre otro campo de aplicación: producir electricidad mediante efectos cuánticos con una pérdida de energía casi nula. Para lograrlo, el científico de 36 años combina dos disciplinas de la física normalmente separadas: la termodinámica y la mecánica cuántica.

Michael Perrin. Crédito: SNF

Reconocimiento de excelencia

El año pasado, la calidad y la aplicabilidad futura de la investigación de Perrin le valieron dos premios: no solo recibió una de las subvenciones iniciales del ERC, muy solicitadas por los investigadores jóvenes, sino que también recibió una beca docente Eccellenza. Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNS)F. Ahora dirige un grupo de investigación de nueve personas en Empa y es profesor asistente de electrónica cuántica en ETH Zurich.

Un viaje por la física

Perrin nos dice que nunca consideró que tuviera un talento natural para las matemáticas. “Fue la curiosidad lo que me empujó hacia la física. Quería comprender mejor cómo funciona el mundo que nos rodea, y la física ofrece excelentes herramientas para lograrlo”. Después de terminar la escuela secundaria en Amsterdam, comenzó a estudiar física aplicada. en la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) en 2005. Desde el principio, Perrin estuvo más interesado en aplicaciones concretas que en la teoría.

Mientras estudiaba con Heere van der Zant, un pionero en electrónica cuántica, Perrin experimentó por primera vez la magia de diseñar pequeños dispositivos a escala microscópica y nanométrica. Rápidamente se dio cuenta de las infinitas posibilidades que ofrece la electrónica molecular, ya que los circuitos tienen propiedades completamente diferentes según las moléculas y los materiales elegidos, y pueden usarse como transistores, diodos o sensores.

Desafío de nanoingeniería

Mientras estudiaba su doctorado, Perrin pasó mucho tiempo en la nanosala blanca de TU Delft, siempre cubierta con un cuerpo completamente blanco para evitar la contaminación de los componentes electrónicos miniaturizados con pelos o partículas de polvo. La sala limpia ha proporcionado la infraestructura tecnológica para construir máquinas de unos pocos nanómetros de tamaño (unas 10.000 veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano).

“Como regla general, cuanto más pequeña sea la estructura que se quiera construir, más grande y más cara deberá ser la máquina para hacerlo”, explica Perrin. Las máquinas de litografía, por ejemplo, se utilizan para diseñar circuitos pequeños y complejos en microchips. “La nanofabricación y la física experimental requieren mucha creatividad y paciencia, porque siempre algo saldrá mal”, afirma Perrin. “Sin embargo, son los resultados extraños e inesperados los que suelen ser los más emocionantes”.

Grafeno: un material milagroso

Un año después de doctorarse, Perrin consiguió un trabajo en la UMBA en el laboratorio de Michel Calami, experto en integración de materiales cuánticos en dispositivos a nanoescala. Desde entonces, Perrin, ciudadano francés y suizo, vive en Dübendorf con su pareja y sus dos hijas.

“Suiza fue una buena elección para mí por varios motivos”, afirma. “La infraestructura de investigación no tiene paralelo”. Empa, ETH Zurich y el Centro de Investigación de IBM en Rüschlikon le proporcionan todo lo que necesita para producir las nanoestructuras, así como los instrumentos de medición para probarlas.

“Además, soy un tipo que disfruta al aire libre. Me encantan las montañas y a menudo hago senderismo y esquío con mi familia”. Perrin también es un ávido escalador. A veces se pierde en valles remotos durante semanas, a menudo en Francia. , el país natal de su familia.

En Emba, este joven investigador tuvo la libertad de seguir experimentando con nanomateriales. Un material en particular llamó rápidamente su atención: las nanocintas de grafeno, un material hecho de átomos de carbono tan delgados como átomos individuales. Estas nanocintas son fabricadas con la máxima precisión por Roman Vasil Group en Emba. Perrin pudo demostrar que estas cintas tienen propiedades únicas y pueden usarse para una amplia gama de técnicas cuánticas.

Al mismo tiempo, empezó a interesarse por convertir el calor en energía eléctrica. En 2018, se demostró que los efectos cuánticos se pueden utilizar para convertir de manera eficiente la energía térmica en electricidad.

Hasta ahora, el problema ha sido que estas propiedades físicas deseables sólo aparecen a temperaturas muy bajas, cercanas Cero absoluto (0 K; -273 °C). Esto no es de gran importancia para posibles aplicaciones futuras, como en teléfonos inteligentes o sensores pequeños. Perrin tuvo la idea de solucionar este problema utilizando nanocintas de grafeno. Sus propiedades físicas específicas significan que la influencia de la temperatura sobre los efectos cuánticos y, por tanto, sobre los efectos termoeléctricos deseados, es mucho menor que en el caso de otros materiales.

Su grupo en Emba pronto pudo demostrar que los efectos cuánticos de las nanocintas de grafeno se conservan en gran medida incluso a una temperatura de 250 K, es decir, -23 grados Celsius. En el futuro, se espera que el sistema también funcione a temperatura ambiente.

Desafíos y ambiciones futuras

Todavía quedan muchos desafíos por superar antes de que la tecnología permita que nuestros teléfonos inteligentes utilicen menos energía. La miniaturización extrema significa que todavía se necesitan componentes especiales para garantizar que los sistemas construidos realmente funcionen.

Perrin, en colaboración con colegas de China, el Reino Unido y Suiza, demostró recientemente que los nanotubos de carbono con un diámetro de tan solo un nanómetro se pueden integrar en sistemas como los electrodos. Sin embargo, Perrin estima que pasarán al menos otros 15 años antes de que estos materiales extremadamente precisos y complejos puedan fabricarse a gran escala e integrarse en dispositivos.

“Mi objetivo es sentar las bases para la aplicación de esta tecnología. Sólo entonces podremos medir su potencial para usos prácticos”.