Kwantumfysicus gebruikt grafeenlinten om energiecentrales op nanoschaal te bouwen

Toen Mickael Perrin twaalf jaar geleden aan zijn wetenschappelijke carrière begon, wist hij niet dat hij onderzoek deed op een gebied dat pas een paar jaar later brede publieke belangstelling zou trekken: de kwantumelektronica. ‘Destijds begonnen natuurkundigen net te praten over het potentieel van kwantumtechnologieën en kwantumcomputers’, herinnert hij zich.

“Tegenwoordig zijn er tientallen start-ups op dit gebied en investeren overheden en bedrijven miljarden in de verdere ontwikkeling van de technologie. We zien nu de eerste toepassingen in de informatica, cryptografie, communicatie en sensoren.” Het onderzoek van Perrin opent een ander toepassingsgebied: elektriciteitsproductie met behulp van kwantumeffecten met vrijwel nul energieverlies. Om dit te bereiken combineert de 36-jarige wetenschapper twee doorgaans gescheiden disciplines van de natuurkunde: thermodynamica en kwantummechanica.

Het afgelopen jaar heeft de kwaliteit van Perrins onderzoek en het potentieel ervan voor toekomstige toepassingen hem twee prijzen opgeleverd. Hij ontving niet alleen een van de ERC Starting Grants waar jonge onderzoekers zo naar op zoek zijn, maar ook een Eccellenza Professorial Fellowship van de Swiss National Science Foundation (SNS)F. Hij leidt nu een onderzoeksgroep van negen bij Empa en is tevens assistent-professor Quantum Electronics aan de ETH Zürich.

Tienduizend keer kleiner dan een haar

Perijn vertelt ons dat hij zichzelf nooit als een natuurlijke gave voor wiskunde heeft beschouwd. “Het was vooral nieuwsgierigheid die mij in de richting van de natuurkunde duwde. Ik wilde beter begrijpen hoe de wereld om ons heen werkt, en de natuurkunde biedt daarvoor uitstekende hulpmiddelen.” Nadat hij de middelbare school in Amsterdam had afgerond, begon hij in 2005 aan een studie toegepaste natuurkunde aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft). Vanaf het begin was Perrin meer geïnteresseerd in concrete toepassingen dan in theorie.

Tijdens zijn studie bij Herre van der Zant, een pionier op het gebied van de kwantumelektronica, ervoer Perrin voor het eerst de fascinatie voor het ontwerpen van kleine apparaten op micro- en nanoschaal. Hij herkende al snel de eindeloze mogelijkheden van moleculaire elektronica, aangezien circuits totaal verschillende kenmerken hebben, afhankelijk van de geselecteerde moleculen en materialen, en kunnen worden gebruikt als transistors, diodes of sensoren.

Tijdens zijn promotieonderzoek bracht Perrin veel tijd door in de cleanroom van het nanolab van de TU Delft, voortdurend gehuld in een witte overall om te voorkomen dat de miniatuurelektronica vervuild zou raken door haren of stofdeeltjes. De cleanroom leverde de technologische infrastructuur om machines te bouwen van enkele nanometers groot (ongeveer 10.000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar).

“Als algemene regel geldt: hoe kleiner de structuur die je wilt bouwen, hoe groter en duurder de machine die je daarvoor nodig hebt”, legt Perrin uit. Lithografiemachines bijvoorbeeld, die worden gebruikt om complexe minicircuits op microchips te patrooneren. ‘Nanofabricage en experimentele natuurkunde vergen veel creativiteit en geduld, omdat er bijna altijd iets misgaat’, zegt Perrin. “Toch zijn het de vreemde en onverwachte resultaten die vaak het meest spannend blijken te zijn.”

Grafeen: een wondermateriaal

Een jaar na het behalen van zijn doctoraat kreeg Perrin een post bij Empa in het laboratorium van Michel Calame, een expert in het integreren van kwantummaterialen in nano-apparaten. Sindsdien woont Perrin, een Franse en Zwitserse staatsburger, met zijn partner en twee dochters in Dübendorf. “Zwitserland was om verschillende redenen een goede keuze voor mij”, zegt hij. “De onderzoeksinfrastructuur is ongeëvenaard.”

Empa, ETH Zürich en het IBM Research Center in Rüschlikon voorzien hem van alles wat hij nodig heeft om nanostructuren te produceren, evenals van de meetinstrumenten om ze te testen. “Bovendien ben ik een buitentype. Ik hou van de bergen en ga vaak wandelen en skiën met mijn gezin.” Perrin is ook een fervent bergbeklimmer. Soms gaat hij wekenlang in afgelegen valleien klimmen, vaak in Frankrijk, het land van herkomst van zijn familie.

Bij Empa had deze jonge onderzoeker de vrijheid om verder te experimenteren met nanomaterialen. Al snel trok een bepaald materiaal zijn bijzondere aandacht: grafeen nanolinten, een materiaal gemaakt van koolstofatomen dat zo dun is als de individuele atomen. Deze nanolinten worden met de grootste precisie vervaardigd door de groep van Roman Fasel bij Empa. Perrin kon aantonen dat deze linten unieke eigenschappen hebben en voor een hele reeks kwantumtechnologieën kunnen worden gebruikt.

Tegelijkertijd begon hij grote belangstelling te krijgen voor het omzetten van warmte in elektrische energie. In 2018 werd namelijk bewezen dat kwantumeffecten gebruikt kunnen worden om thermische energie efficiënt om te zetten in elektriciteit. Tot nu toe was het probleem dat deze wenselijke fysische eigenschappen alleen optreden bij zeer lage temperaturen – dicht bij het absolute nulpunt (0 Kelvin; -237°C). Dit is van weinig belang voor potentiële toekomstige toepassingen zoals in smartphones of minisensoren.

Perrin kwam op het idee dit probleem te omzeilen door grafeen-nanolinten te gebruiken. Door hun specifieke fysische eigenschappen heeft temperatuur een veel kleinere invloed op de kwantumeffecten – en dus op de gewenste thermo-elektrische effecten – dan bij andere materialen het geval is. Zijn groep bij Empa kon al snel aantonen dat de kwantumeffecten van grafeen-nanolinten grotendeels behouden blijven, zelfs bij 250 Kelvin, dat wil zeggen -23°C. In de toekomst zal het systeem naar verwachting ook bij kamertemperatuur werken.

Lager energieverbruik dankzij nanobuisjes

Er zijn nog veel uitdagingen die moeten worden overwonnen voordat de technologie onze smartphones in staat zal stellen minder stroom te gebruiken. Door de extreme miniaturisatie zijn er steeds speciale componenten nodig om de gebouwde systemen daadwerkelijk te laten werken. Perrin heeft onlangs samen met collega’s uit China, Groot-Brittannië en Zwitserland aangetoond dat koolstofnanobuisjes met een diameter van slechts één nanometer als elektroden in die systemen kunnen worden geïntegreerd.

Perrin schat echter dat het nog minstens vijftien jaar zal duren voordat deze delicate en zeer gecompliceerde materialen op grote schaal kunnen worden vervaardigd en in apparaten kunnen worden verwerkt. “Mijn doel is om de fundamentele basis voor de toepassing van deze technologie uit te werken. Alleen dan zullen we het potentieel ervan voor praktisch gebruik kunnen inschatten.”