12年前，当米凯尔·佩兰(MickaelPerrin)开始他的科学生涯时，他完全不知道自己所从事的研究领域几年后就引起了公众的广泛兴趣：量子电子学。“当时，物理学家才刚刚开始谈论量子技术和量子计算机的潜力，”他回忆道。
“如今，这一领域有数十家初创企业，政府和公司正在投资数十亿美元来进一步开发这项技术。我们现在看到了计算机科学、密码学、通信和传感器领域的首批应用。”佩林的研究开辟了另一个应用领域：利用量子效应发电，能量损失几乎为零。为了实现这一目标，这位36岁的科学家结合了两个通常独立的物理学学科：热力学和量子力学。
在过去的一年里，Perrin的研究质量及其未来应用的潜力为他带来了两项奖项。他不仅获得了备受年轻研究人员追捧的ERC启动基金之一，还获得了瑞士国家科学基金会(SNS)F的Eccellenza教授奖学金。他现在领导Empa的一个由九人组成的研究小组，并担任苏黎世联邦理工学院量子电子学助理教授。
比头发丝小一万倍
佩兰告诉我们，他从来不认为自己有数学天赋。“主要是好奇心推动我走向物理学的方向。我想更好地了解我们周围的世界是如何运作的，而物理学为实现这一目标提供了极好的工具。”在阿姆斯特丹高中毕业后，他于2005年开始在代尔夫特理工大学(TUDelft)攻读应用物理学学位。从一开始，佩兰就对具体应用比理论更感兴趣。
正是在量子电子学领域的先驱HerrevanderZant的指导下学习时，Perrin第一次体验到了在微米级和纳米级设计微型器件的魅力。他很快认识到分子电子学带来的无限可能性，因为电路根据所选的分子和材料具有完全不同的特性，并且可以用作晶体管、二极管或传感器。
在攻读博士学位期间，佩兰在代尔夫特理工大学的纳米实验室洁净室中度过了很多时间，该洁净室始终笼罩在白色的全身工作服中，以防止微型电子设备被毛发或灰尘颗粒污染。洁净室提供了技术基础设施来建造几纳米大小的机器(大约比人类头发直径小一万倍)。
“一般来说，您想要建造的结构越小，您需要的机器就越大、越昂贵，”佩兰解释道。例如，光刻机用于在微芯片上绘制复杂的微型电路图案。“纳米制造和实验物理需要大量的创造力和耐心，因为几乎总是会出现问题，”佩林说。“然而，奇怪和意想不到的结果往往是最令人兴奋的。”
石墨烯：一种神奇的材料
完成博士学位一年后，Perrin在Empa的MichelCalame实验室获得了一个职位，他是一位将量子材料集成到纳米设备中的专家。从那时起，佩兰(法国和瑞士公民)与他的伴侣和两个女儿一起住在杜本多夫。“出于多种原因，瑞士对我来说是一个不错的选择，”他说。“研究基础设施是无与伦比的。”
Empa、苏黎世联邦理工学院和位于Rüschlikon的IBM研究中心为他提供了生产纳米结构所需的一切，以及测试纳米结构的测量仪器。“而且，我是一个户外型的人，我喜欢山，经常和家人一起去散步、滑雪。”佩兰也是一位热衷于攀岩的人。他有时会在偏远的山谷里攀登数周，通常是在他家人的原籍国法国。
在Empa，这位年轻的研究人员可以自由地继续进行纳米材料实验。某种材料很快引起了他的特别注意：石墨烯纳米带，一种由碳原子制成的材料，其厚度与单个原子一样薄。这些纳米带由Empa的RomanFasel团队以最高精度制造。佩兰能够证明这些带具有独特的特性，可用于一系列量子技术。
与此同时，他开始对将热能转化为电能产生浓厚的兴趣。2018年，事实证明量子效应可以有效地将热能转化为电能。到目前为止，问题是这些理想的物理特性仅在非常低的温度下出现——接近绝对零(0开尔文;-237°C)。这与未来潜在的应用(例如智能手机或微型传感器)关系不大。
佩兰想到了通过使用石墨烯纳米带来规避这个问题。它们特定的物理特性意味着与其他材料相比，温度对量子效应以及所需的热电效应的影响要小得多。他在Empa的团队很快就证明，石墨烯纳米带的量子效应即使在250开尔文(即-23°C)下也能很大程度上保留。未来，该系统预计也能在室温下工作。
纳米管降低功耗
在该技术使我们的智能手机使用更少的电量之前，仍有许多挑战需要克服。极度小型化意味着需要特殊的组件来确保构建的系统实际工作。Perrin与来自中国、英国和瑞士的同事最近表明，直径仅为一纳米的碳纳米管可以作为电极集成到这些系统中。
然而，Perrin估计，至少还需要15年时间才能大规模制造这些精致且高度复杂的材料并将其整合到设备中。“我的目标是找出应用这项技术的根本基础。只有这样我们才能评估其实际用途的潜力。”
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