Quando Mickael Perrin iniciou sua carreira científica, há 12 anos, ele não tinha como saber que estava conduzindo pesquisas em uma área que atrairia amplo interesse público apenas alguns anos depois:a eletrônica quântica. “Na época, os físicos estavam apenas começando a falar sobre o potencial das tecnologias quânticas e dos computadores quânticos”, lembra ele.



"Hoje existem dezenas de start-ups nesta área, e governos e empresas estão a investir milhares de milhões no desenvolvimento da tecnologia. Estamos agora a ver as primeiras aplicações em ciência da computação, criptografia, comunicações e sensores." A pesquisa de Perrin abre outro campo de aplicação:a produção de eletricidade usando efeitos quânticos com perda de energia quase nula. Para conseguir isso, o cientista de 36 anos combina duas disciplinas da física normalmente distintas:termodinâmica e mecânica quântica.

No ano passado, a qualidade da investigação de Perrin e o seu potencial para aplicações futuras valeram-lhe dois prémios. Ele recebeu não apenas uma das ERC Starting Grants, tão procuradas por jovens pesquisadores, mas também uma Eccellenza Professorial Fellowship da Swiss National Science Foundation (SNS)F. Ele agora lidera um grupo de pesquisa de nove pessoas na Empa, além de ser professor assistente de Eletrônica Quântica na ETH Zurique.

Dez mil vezes menor que um fio de cabelo

Perrin nos conta que nunca se considerou como tendo um dom natural para a matemática. "Foi principalmente a curiosidade que me empurrou na direção da física. Eu queria compreender melhor como funciona o mundo que nos rodeia, e a física oferece excelentes ferramentas para fazer exatamente isso." Depois de terminar o ensino médio em Amsterdã, ele começou a se formar em física aplicada na Universidade de Tecnologia de Delft (TU Delft) em 2005. Desde o início, Perrin estava mais interessado em aplicações concretas do que em teoria.

Foi enquanto estudava com Herre van der Zant, um pioneiro no campo da eletrônica quântica, que Perrin experimentou pela primeira vez o fascínio de projetar pequenos dispositivos em microescala e nanoescala. Ele logo reconheceu as infinitas possibilidades apresentadas pela eletrônica molecular, já que os circuitos possuem características completamente diferentes dependendo das moléculas e dos materiais selecionados, podendo ser utilizados como transistores, diodos ou sensores.

Enquanto estudava para seu doutorado, Perrin passou muito tempo na sala limpa do nanolab na TU Delft – constantemente envolto em um macacão branco de corpo inteiro para evitar que os eletrônicos em miniatura fossem contaminados por cabelos ou partículas de poeira. A sala limpa forneceu a infraestrutura tecnológica para construir máquinas com alguns nanômetros de tamanho (cerca de 10 mil vezes menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano).

“Como regra geral, quanto menor a estrutura que você deseja construir, maior e mais cara será a máquina necessária para fazê-lo”, explica Perrin. Máquinas de litografia, por exemplo, usadas para padronizar minicircuitos complexos em microchips. “A nanofabricação e a física experimental exigem muita criatividade e paciência, porque quase sempre algo dá errado”, diz Perrin. "No entanto, são os resultados estranhos e inesperados que muitas vezes acabam por ser os mais emocionantes."

Grafeno:um material milagroso

Um ano após concluir o doutorado, Perrin conseguiu uma vaga na Empa, no laboratório de Michel Calame, especialista em integração de materiais quânticos em nanodispositivos. Desde então, Perrin – cidadão francês e suíço – vive em Dübendorf com a sua companheira e duas filhas. “A Suíça foi uma boa escolha para mim por vários motivos”, diz ele. "A infraestrutura de pesquisa é incomparável."

A Empa, a ETH Zurique e o Centro de Pesquisa IBM em Rüschlikon fornecem-lhe tudo o que necessita para produzir nanoestruturas, bem como os instrumentos de medição para testá-las. "Além disso, gosto de atividades ao ar livre. Adoro as montanhas e costumo caminhar e esquiar com minha família." Perrin também é um grande alpinista. Às vezes, ele sai para escalar vales remotos durante semanas, muitas vezes na França, que é o país de origem de sua família.

Na Empa este jovem pesquisador teve a liberdade de continuar experimentando com nanomateriais. Um determinado material logo atraiu sua atenção especial:as nanofitas de grafeno, um material feito de átomos de carbono que é tão fino quanto os átomos individuais. Essas nanofitas são fabricadas com a maior precisão pelo grupo de Roman Fasel na Empa. Perrin conseguiu mostrar que essas fitas têm propriedades únicas e podem ser usadas para uma série de tecnologias quânticas.

Ao mesmo tempo, ele começou a se interessar pela conversão de calor em energia elétrica. Em 2018 ficou de facto provado que os efeitos quânticos podem ser utilizados para converter eficientemente energia térmica em eletricidade. Até agora, o problema tem sido que estas propriedades físicas desejáveis ​​aparecem apenas em temperaturas muito baixas – próximas do zero absoluto (0 Kelvin; -273,15°C). Isto é de pouca relevância para potenciais aplicações futuras, como smartphones ou minissensores.

Perrin teve a ideia de contornar esse problema usando nanofitas de grafeno. Suas propriedades físicas específicas significam que a temperatura tem um impacto muito menor nos efeitos quânticos – e, portanto, nos efeitos termoelétricos desejados – do que acontece com outros materiais. Seu grupo na Empa logo conseguiu demonstrar que os efeitos quânticos das nanofitas de grafeno são amplamente preservados mesmo a 250 Kelvin, ou seja, -23°C. No futuro, espera-se que o sistema também funcione à temperatura ambiente.

Menor consumo de energia graças aos nanotubos

Ainda há muitos desafios a superar antes que a tecnologia permita que nossos smartphones usem menos energia. A miniaturização extrema significa que componentes especiais continuam sendo necessários para garantir que os sistemas construídos realmente funcionem. Perrin, juntamente com colegas da China, do Reino Unido e da Suíça, mostraram recentemente que nanotubos de carbono com apenas um nanômetro de diâmetro podem ser integrados nesses sistemas como eletrodos.

No entanto, Perrin estima que serão necessários pelo menos mais 15 anos até que estes materiais delicados e altamente complicados possam ser fabricados em escala e incorporados em dispositivos. "Meu objetivo é descobrir as bases fundamentais para a aplicação desta tecnologia. Só então seremos capazes de avaliar o seu potencial para usos práticos."

Fornecido pela Swiss National Science Foundation