12年前，當米凱爾·佩蘭(MickaelPerrin)開始他的科學(xué)生涯時，他完全不知道自己所從事的研究領(lǐng)域幾年后就引起了公眾的廣泛興趣：量子電子學(xué)。“當時，物理學(xué)家才剛剛開始談?wù)摿孔蛹夹g(shù)和量子計算機的潛力，”他回憶道。
“如今，這一領(lǐng)域有數(shù)十家初創(chuàng)企業(yè)，政府和公司正在投資數(shù)十億美元來進一步開發(fā)這項技術(shù)。我們現(xiàn)在看到了計算機科學(xué)、密碼學(xué)、通信和傳感器領(lǐng)域的首批應(yīng)用。”佩林的研究開辟了另一個應(yīng)用領(lǐng)域：利用量子效應(yīng)發(fā)電，能量損失幾乎為零。為了實現(xiàn)這一目標，這位36歲的科學(xué)家結(jié)合了兩個通常獨立的物理學(xué)學(xué)科：熱力學(xué)和量子力學(xué)。
在過去的一年里，Perrin的研究質(zhì)量及其未來應(yīng)用的潛力為他帶來了兩項獎項。他不僅獲得了備受年輕研究人員追捧的ERC啟動基金之一，還獲得了瑞士國家科學(xué)基金會(SNS)F的Eccellenza教授獎學(xué)金。他現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)Empa的一個由九人組成的研究小組，并擔任蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子學(xué)助理教授。
比頭發(fā)絲小一萬倍
佩蘭告訴我們，他從來不認為自己有數(shù)學(xué)天賦。“主要是好奇心推動我走向物理學(xué)的方向。我想更好地了解我們周圍的世界是如何運作的，而物理學(xué)為實現(xiàn)這一目標提供了極好的工具。”在阿姆斯特丹高中畢業(yè)后，他于2005年開始在代爾夫特理工大學(xué)(TUDelft)攻讀應(yīng)用物理學(xué)學(xué)位。從一開始，佩蘭就對具體應(yīng)用比理論更感興趣。
正是在量子電子學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)HerrevanderZant的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)時，Perrin第一次體驗到了在微米級和納米級設(shè)計微型器件的魅力。他很快認識到分子電子學(xué)帶來的無限可能性，因為電路根據(jù)所選的分子和材料具有完全不同的特性，并且可以用作晶體管、二極管或傳感器。
在攻讀博士學(xué)位期間，佩蘭在代爾夫特理工大學(xué)的納米實驗室潔凈室中度過了很多時間，該潔凈室始終籠罩在白色的全身工作服中，以防止微型電子設(shè)備被毛發(fā)或灰塵顆粒污染。潔凈室提供了技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施來建造幾納米大小的機器(大約比人類頭發(fā)直徑小一萬倍)。
“一般來說，您想要建造的結(jié)構(gòu)越小，您需要的機器就越大、越昂貴，”佩蘭解釋道。例如，光刻機用于在微芯片上繪制復(fù)雜的微型電路圖案。“納米制造和實驗物理需要大量的創(chuàng)造力和耐心，因為幾乎總是會出現(xiàn)問題，”佩林說。“然而，奇怪和意想不到的結(jié)果往往是最令人興奮的。”
石墨烯：一種神奇的材料
完成博士學(xué)位一年后，Perrin在Empa的MichelCalame實驗室獲得了一個職位，他是一位將量子材料集成到納米設(shè)備中的專家。從那時起，佩蘭(法國和瑞士公民)與他的伴侶和兩個女兒一起住在杜本多夫。“出于多種原因，瑞士對我來說是一個不錯的選擇，”他說。“研究基礎(chǔ)設(shè)施是無與倫比的。”
Empa、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和位于Rüschlikon的IBM研究中心為他提供了生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)所需的一切，以及測試納米結(jié)構(gòu)的測量儀器。“而且，我是一個戶外型的人，我喜歡山，經(jīng)常和家人一起去散步、滑雪。”佩蘭也是一位熱衷于攀巖的人。他有時會在偏遠的山谷里攀登數(shù)周，通常是在他家人的原籍國法國。
在Empa，這位年輕的研究人員可以自由地繼續(xù)進行納米材料實驗。某種材料很快引起了他的特別注意：石墨烯納米帶，一種由碳原子制成的材料，其厚度與單個原子一樣薄。這些納米帶由Empa的RomanFasel團隊以最高精度制造。佩蘭能夠證明這些帶具有獨特的特性，可用于一系列量子技術(shù)。
與此同時，他開始對將熱能轉(zhuǎn)化為電能產(chǎn)生濃厚的興趣。2018年，事實證明量子效應(yīng)可以有效地將熱能轉(zhuǎn)化為電能。到目前為止，問題是這些理想的物理特性僅在非常低的溫度下出現(xiàn)——接近絕對零(0開爾文;-237°C)。這與未來潛在的應(yīng)用(例如智能手機或微型傳感器)關(guān)系不大。
佩蘭想到了通過使用石墨烯納米帶來規(guī)避這個問題。它們特定的物理特性意味著與其他材料相比，溫度對量子效應(yīng)以及所需的熱電效應(yīng)的影響要小得多。他在Empa的團隊很快就證明，石墨烯納米帶的量子效應(yīng)即使在250開爾文(即-23°C)下也能很大程度上保留。未來，該系統(tǒng)預(yù)計也能在室溫下工作。
納米管降低功耗
在該技術(shù)使我們的智能手機使用更少的電量之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。極度小型化意味著需要特殊的組件來確保構(gòu)建的系統(tǒng)實際工作。Perrin與來自中國、英國和瑞士的同事最近表明，直徑僅為一納米的碳納米管可以作為電極集成到這些系統(tǒng)中。
然而，Perrin估計，至少還需要15年時間才能大規(guī)模制造這些精致且高度復(fù)雜的材料并將其整合到設(shè)備中。“我的目??標是找出應(yīng)用這項技術(shù)的根本基礎(chǔ)。只有這樣我們才能評估其實際用途的潛力。”
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