12年前，當(dāng)米凱爾·佩蘭(MickaelPerrin)開始他的科學(xué)生涯時(shí)，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(dāng)時(shí)，物理學(xué)家才剛剛開始談?wù)摿孔蛹夹g(shù)和量子計(jì)算機(jī)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(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。我們現(xiàn)在看到了計(jì)算機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這位36歲的科學(xué)家結(jié)合了兩個(gè)通常獨(dú)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(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。他不僅獲得了備受年輕研究人員追捧的ERC啟動(dòng)基金之一，還獲得了瑞士國家科學(xué)基金會(huì)(SNS)F的Eccellenza教授獎(jiǎng)學(xué)金。他現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)Empa的一個(gè)由九人組成的研究小組，并擔(dān)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(rèn)為自己有數(shù)學(xué)天賦。“主要是好奇心推動(dòng)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(yùn)作的，而物理學(xué)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(duì)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(shí)，Perrin第一次體驗(yàn)到了在微米級(jí)和納米級(jí)設(shè)計(jì)微型器件的魅力。他很快認(rèn)識(shí)到分子電子學(xué)帶來的無限可能性，因?yàn)殡娐犯鶕?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(shí)驗(yàn)室潔凈室中度過了很多時(shí)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(jī)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(jī)器就越大、越昂貴，”佩蘭解釋道。例如，光刻機(jī)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(shí)驗(yàn)物理需要大量的創(chuàng)造力和耐心，因?yàn)閹缀蹩偸菚?huì)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(shí)驗(yàn)室獲得了一個(gè)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(shí)起，佩蘭(法國和瑞士公民)與他的伴侶和兩個(gè)女兒一起住在杜本多夫。“出于多種原因，瑞士對(duì)我來說是一個(gè)不錯(cuò)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(cè)試納米結(jié)構(gòu)的測(cè)量儀器。“而且，我是一個(gè)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(shí)會(huì)在偏遠(yuǎn)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(jìn)行納米材料實(shí)驗(yàn)。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(gè)原子一樣薄。這些納米帶由Empa的RomanFasel團(tuán)隊(duì)以最高精度制造。佩蘭能夠證明這些帶具有獨(dú)特的特性，可用于一系列量子技術(shù)。
與此同時(shí)，他開始對(duì)將熱能轉(zhuǎn)化為電能產(chǎn)生濃厚的興趣。2018年，事實(shí)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(duì)零(0開爾文;-237°C)。這與未來潛在的應(yīng)用(例如智能手機(jī)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(gè)問題。它們特定的物理特性意味著與其他材料相比，溫度對(duì)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(tuán)隊(duì)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(jì)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(jī)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(shí)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(jì)，至少還需要15年時(shí)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(biāo)是找出應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的根本基礎(chǔ)。只有這樣我們才能評(píng)估其實(shí)際用途的潛力。”
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