Quando Mickael Perrin iniziò la sua carriera scientifica 12 anni fa, non aveva modo di sapere che stava conducendo ricerche in un'area che avrebbe attirato un vasto interesse pubblico solo pochi anni dopo:l'elettronica quantistica. "All'epoca, i fisici stavano appena iniziando a parlare del potenziale delle tecnologie quantistiche e dei computer quantistici", ricorda.
"Oggi ci sono dozzine di start-up in questo settore, e governi e aziende stanno investendo miliardi nello sviluppo ulteriore della tecnologia. Stiamo ora vedendo le prime applicazioni nell'informatica, nella crittografia, nelle comunicazioni e nei sensori." La ricerca di Perrin sta aprendo un altro campo di applicazione:la produzione di elettricità utilizzando effetti quantistici con perdita di energia quasi pari a zero. Per raggiungere questo obiettivo, lo scienziato 36enne combina due discipline fisiche solitamente separate:la termodinamica e la meccanica quantistica.
L'anno scorso, la qualità della ricerca di Perrin e il suo potenziale per applicazioni future gli hanno fruttato due premi. Ha ricevuto non solo uno degli ERC Starting Grant tanto ambiti dai giovani ricercatori, ma anche una Eccellenza Professorial Fellowship del Fondo Nazionale Svizzero per la Scienza (SNS)F. Ora guida un gruppo di ricerca di nove persone presso l'Empa ed è professore assistente di elettronica quantistica all'ETH di Zurigo.
Perrin ci dice che non si è mai considerato dotato di un dono naturale per la matematica. "È stata soprattutto la curiosità a spingermi verso la fisica. Volevo comprendere meglio come funziona il mondo che ci circonda, e la fisica offre strumenti eccellenti per fare proprio questo." Dopo aver terminato il liceo ad Amsterdam, nel 2005 ha iniziato a laurearsi in fisica applicata presso l'Università della Tecnologia di Delft (TU Delft). Fin dall'inizio, Perrin era più interessato alle applicazioni concrete che alla teoria.
Fu mentre studiava con Herre van der Zant, un pioniere nel campo dell'elettronica quantistica, che Perrin sperimentò per la prima volta il fascino di progettare minuscoli dispositivi su scala micro e nanometrica. Ben presto riconobbe le infinite possibilità offerte dall'elettronica molecolare, poiché i circuiti hanno caratteristiche completamente diverse a seconda delle molecole e dei materiali selezionati e possono essere utilizzati come transistor, diodi o sensori.
Mentre studiava per il dottorato, Perrin ha trascorso molto tempo nella camera bianca del nanolab presso la TU Delft, costantemente avvolto in una tuta intera bianca per evitare che i componenti elettronici in miniatura venissero contaminati da peli o particelle di polvere. La camera bianca ha fornito l'infrastruttura tecnologica per costruire macchine di pochi nanometri (circa 10.000 volte più piccole del diametro di un capello umano).
"In generale, quanto più piccola è la struttura che si desidera costruire, tanto più grande e costosa sarà la macchina necessaria per realizzarla", spiega Perrin. Le macchine litografiche, ad esempio, vengono utilizzate per modellare minicircuiti complessi su microchip. "La nanofabbricazione e la fisica sperimentale richiedono molta creatività e pazienza, perché quasi sempre qualcosa va storto", afferma Perrin. "Eppure sono i risultati strani e inaspettati che spesso si rivelano i più emozionanti."
Un anno dopo aver completato il dottorato, Perrin ha ottenuto un posto all'Empa nel laboratorio di Michel Calame, un esperto nell'integrazione di materiali quantistici in nanodispositivi. Da allora Perrin, cittadino francese e svizzero, vive a Dübendorf con la sua compagna e le due figlie. "La Svizzera è stata una buona scelta per me per diversi motivi", afferma. "L'infrastruttura di ricerca non ha eguali."
L'Empa, l'ETH di Zurigo e il Centro di ricerca IBM di Rüschlikon gli mettono a disposizione tutto ciò di cui ha bisogno per produrre nanostrutture e gli strumenti di misura per testarle. "Inoltre, amo la vita all'aria aperta. Adoro la montagna e spesso vado a camminare e sciare con la mia famiglia." Perrin è anche un appassionato scalatore. A volte si dedica ad arrampicare per settimane in valli remote, spesso in Francia, il paese d'origine della sua famiglia.
All'Empa questo giovane ricercatore ha avuto la libertà di continuare a sperimentare con i nanomateriali. Un materiale attirò presto la sua particolare attenzione:i nanonastri di grafene, un materiale composto da atomi di carbonio sottili quanto i singoli atomi. Questi nanonastri vengono prodotti con la massima precisione dal gruppo di Roman Fasel presso l'Empa. Perrin è riuscito a dimostrare che questi nastri hanno proprietà uniche e possono essere utilizzati per tutta una serie di tecnologie quantistiche.
Allo stesso tempo, iniziò ad interessarsi molto alla conversione del calore in energia elettrica. Nel 2018 è stato infatti dimostrato che gli effetti quantistici possono essere utilizzati per convertire in modo efficiente l’energia termica in elettrica. Finora, il problema è stato che queste proprietà fisiche desiderabili si manifestano solo a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto (0 Kelvin; -273,15°C). Ciò ha poca rilevanza per potenziali applicazioni future come negli smartphone o nei minisensori.
Perrin ha avuto l'idea di aggirare questo problema utilizzando nanonastri di grafene. Le loro proprietà fisiche specifiche fanno sì che la temperatura abbia un impatto molto minore sugli effetti quantistici – e quindi sugli effetti termoelettrici desiderati – rispetto a quanto avviene con altri materiali. Il suo gruppo all’Empa è stato presto in grado di dimostrare che gli effetti quantistici dei nanonastri di grafene sono in gran parte preservati anche a 250 Kelvin, cioè -23°C. In futuro si prevede che il sistema funzionerà anche a temperatura ambiente.
Ci sono ancora molte sfide da superare prima che la tecnologia consenta ai nostri smartphone di consumare meno energia. La miniaturizzazione estrema significa che continuano a essere necessari componenti speciali per garantire che i sistemi costruiti funzionino effettivamente. Perrin, insieme a colleghi provenienti da Cina, Regno Unito e Svizzera, ha recentemente dimostrato che nanotubi di carbonio di appena un nanometro di diametro possono essere integrati in tali sistemi come elettrodi.
Tuttavia, Perrin stima che ci vorranno almeno altri 15 anni prima che questi materiali delicati e altamente complicati possano essere prodotti su larga scala e incorporati nei dispositivi. "Il mio obiettivo è elaborare le basi fondamentali per l'applicazione di questa tecnologia. Solo allora saremo in grado di valutarne il potenziale per usi pratici."
Fornito dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica
