Cuando Mickael Perrin comenzó su carrera científica hace 12 años, no tenía forma de saber que estaba realizando investigaciones en un área que atraería un gran interés público sólo 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 empresas emergentes en este ámbito, y los gobiernos y las empresas están invirtiendo miles de millones en el desarrollo de esta tecnología. Ahora estamos viendo las primeras aplicaciones en informática, criptografía, comunicaciones y sensores". La investigación de Perrin abre otro campo de aplicación:la producción de 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.
El año pasado, la calidad de la investigación de Perrin y su potencial para futuras aplicaciones le valieron dos premios. Recibió no solo una de las subvenciones iniciales del ERC tan solicitadas por los jóvenes investigadores, sino también una beca docente Eccellenza de la 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.
Perrin nos dice que nunca consideró que tuviera un don natural para las matemáticas. "Fue principalmente la curiosidad lo que me impulsó hacia la física. Quería comprender mejor cómo funciona el mundo que nos rodea, y la física ofrece excelentes herramientas para lograr precisamente eso". Después de terminar la escuela secundaria en Ámsterdam, 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 teoría.
Fue mientras estudiaba con Herre van der Zant, un pionero en el campo de la electrónica cuántica, que Perrin experimentó por primera vez la fascinación de diseñar pequeños dispositivos a micro y nanoescala. Pronto reconoció las infinitas posibilidades que presenta la electrónica molecular, ya que los circuitos tienen características completamente diferentes dependiendo de las moléculas y materiales seleccionados, y pueden usarse como transistores, diodos o sensores.
Mientras estudiaba para su doctorado, Perrin pasó mucho tiempo en la sala limpia de nanolaboratorios de TU Delft, constantemente envuelto en un mono blanco de cuerpo entero para evitar que los componentes electrónicos en miniatura se contaminaran con pelos o partículas de polvo. La sala blanca proporcionó 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 quieras construir, más grande y más costosa será la máquina que necesitarás para hacerlo", explica Perrin. Máquinas de litografía, por ejemplo, que se utilizan para modelar minicircuitos complejos en microchips. "La nanofabricación y la física experimental requieren mucha creatividad y paciencia, porque casi siempre algo sale mal", afirma Perrin. "Sin embargo, son los resultados extraños e inesperados los que a menudo resultan ser los más emocionantes".
Un año después de completar su doctorado, Perrin obtuvo un puesto en Empa, en el laboratorio de Michel Calame, experto en la integración de materiales cuánticos en nanodispositivos. Desde entonces, Perrin, de nacionalidad francesa y suiza, 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 nanoestructuras, así como los instrumentos de medición para probarlas. "Además, soy una persona que practica actividades al aire libre. Me encantan las montañas y, a menudo, salgo a caminar y a esquiar con mi familia". Perrin también es un entusiasta escalador. A veces se dedica a escalar valles remotos durante semanas, a menudo en Francia, que es el país de origen de su familia.
En Empa este joven investigador tuvo la libertad de seguir experimentando con nanomateriales. Pronto le llamó especialmente la atención un material:las nanocintas de grafeno, un material formado por átomos de carbono y tan fino como los átomos individuales. Estas nanocintas son fabricadas con la mayor precisión por el grupo de Roman Fasel en Empa. Perrin pudo demostrar que estas cintas tienen propiedades únicas y pueden usarse para una gran cantidad de tecnologías cuánticas.
Al mismo tiempo, empezó a interesarse mucho por la conversión del calor en energía eléctrica. De hecho, en 2018 se demostró que los efectos cuánticos pueden utilizarse para convertir eficientemente la energía térmica en electricidad. Hasta ahora, el problema ha sido que estas propiedades físicas deseables aparecen sólo a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (0 Kelvin; -273,15°C). Esto tiene poca relevancia para posibles aplicaciones futuras, como teléfonos inteligentes o minisensores.
Perrin tuvo la idea de solucionar este problema utilizando nanocintas de grafeno. Sus propiedades físicas específicas significan que la temperatura tiene un impacto mucho menor sobre los efectos cuánticos (y, por tanto, sobre los efectos termoeléctricos deseados) que en el caso de otros materiales. Su grupo en Empa pronto pudo demostrar que los efectos cuánticos de las nanocintas de grafeno se conservan en gran medida incluso a 250 Kelvin, es decir, -23°C. En el futuro, se espera que el sistema también funcione a temperatura ambiente.
Todavía quedan muchos desafíos por superar antes de que la tecnología permita que nuestros teléfonos inteligentes utilicen menos energía. La miniaturización extrema significa que se siguen necesitando componentes especiales para garantizar que los sistemas construidos realmente funcionen. Perrin, junto con colegas de China, el Reino Unido y Suiza, demostró recientemente que nanotubos de carbono de sólo un nanómetro de diámetro pueden integrarse en esos sistemas como electrodos.
Sin embargo, Perrin estima que pasarán al menos otros 15 años antes de que estos materiales delicados y altamente complicados puedan fabricarse a escala e incorporarse en dispositivos. "Mi objetivo es encontrar las bases fundamentales para aplicar esta tecnología. Sólo entonces podremos evaluar su potencial para usos prácticos."
Proporcionado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia
