Khi Mickael Perrin bắt đầu sự nghiệp khoa học của mình 12 năm trước, ông không hề biết rằng mình đang tiến hành nghiên cứu trong một lĩnh vực sẽ thu hút sự quan tâm rộng rãi của công chúng chỉ vài năm sau đó: Điện tử lượng tử. Ông nhớ lại: “Vào thời điểm đó, các nhà vật lý mới bắt đầu nói về tiềm năng của công nghệ lượng tử và máy tính lượng tử”.
Michael Perrin. Tín dụng: SNF
"Ngày nay có hàng chục công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực này, chính phủ và các công ty đang đầu tư hàng tỷ USD để phát triển công nghệ hơn nữa. Chúng tôi hiện đang chứng kiến những ứng dụng đầu tiên trong khoa học máy tính, mật mã, truyền thông và cảm biến." Nghiên cứu của Perrin đang mở ra một lĩnh vực ứng dụng khác: Sản xuất điện sử dụng hiệu ứng lượng tử với mức tổn thất năng lượng gần như bằng không. Để đạt được điều này, nhà khoa học 36 tuổi kết hợp hai ngành vật lý thường tách biệt: nhiệt động lực học và cơ học lượng tử.
Trong năm qua, chất lượng nghiên cứu của Perrin và tiềm năng ứng dụng trong tương lai của nó đã mang về cho ông hai giải thưởng. Anh không chỉ nhận được một trong những Học bổng Khởi đầu ERC được các nhà nghiên cứu trẻ săn đón mà còn nhận được Học bổng Giáo sư Eccellenza của Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ (SNS)F. Hiện ông lãnh đạo một nhóm nghiên cứu gồm chín người tại Empa đồng thời là Trợ lý Giáo sư về Điện tử Lượng tử tại ETH Zurich.
Nhỏ hơn một sợi tóc vạn lần
Perrin nói với chúng ta rằng ông chưa bao giờ coi mình là người có năng khiếu toán học bẩm sinh. "Chủ yếu là sự tò mò đã thúc đẩy tôi theo hướng vật lý. Tôi muốn hiểu rõ hơn về cách thế giới xung quanh chúng ta vận hành và vật lý cung cấp những công cụ tuyệt vời để làm việc đó." Sau khi học xong trung học ở Amsterdam, anh bắt đầu lấy bằng vật lý ứng dụng tại Đại học Công nghệ Delft (TU Delft) vào năm 2005. Ngay từ đầu, Perrin đã quan tâm đến các ứng dụng cụ thể hơn là lý thuyết.
Khi theo học Herre van der Zant, người tiên phong trong lĩnh vực điện tử lượng tử, Perrin lần đầu tiên trải nghiệm niềm đam mê chế tạo các thiết bị cực nhỏ ở quy mô micro và nano. Ông sớm nhận ra những khả năng vô tận mà điện tử phân tử mang lại, vì các mạch điện có những đặc tính hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các phân tử và vật liệu được chọn, đồng thời có thể được sử dụng làm bóng bán dẫn, điốt hoặc cảm biến.
Trong khi học tiến sĩ, Perrin đã dành rất nhiều thời gian trong phòng sạch phòng thí nghiệm nano tại TU Delft—thường xuyên được bao bọc trong một bộ toàn thân màu trắng để ngăn chặn các thiết bị điện tử thu nhỏ bị nhiễm bẩn bởi lông hoặc các hạt bụi. Phòng sạch cung cấp cơ sở hạ tầng công nghệ để chế tạo những cỗ máy có kích thước vài nanomet (nhỏ hơn khoảng 10.000 lần so với đường kính của một sợi tóc người).
Perrin giải thích: “Theo nguyên tắc chung, cấu trúc bạn muốn xây dựng càng nhỏ thì bạn sẽ cần phải sử dụng máy càng lớn và đắt tiền hơn”. Ví dụ, máy in thạch bản được sử dụng để tạo mẫu các mạch điện nhỏ phức tạp trên vi mạch. Perrin nói: “Chế tạo nano và vật lý thực nghiệm đòi hỏi rất nhiều sự sáng tạo và kiên nhẫn, bởi vì gần như luôn có điều gì đó không ổn”. “Tuy nhiên, chính những kết quả kỳ lạ và bất ngờ lại thường trở nên thú vị nhất.”
Graphene: Vật liệu kỳ diệu
Một năm sau khi hoàn thành bằng tiến sĩ, Perrin nhận được một vị trí tại Empa trong phòng thí nghiệm của Michel Calame, một chuyên gia về tích hợp vật liệu lượng tử vào các thiết bị nano. Kể từ đó, Perrin—quốc tịch Pháp và Thụy Sĩ—đã sống ở Dübendorf cùng với người bạn đời và hai cô con gái. “Thụy Sĩ là một lựa chọn tốt đối với tôi vì nhiều lý do,” anh nói. "Cơ sở hạ tầng nghiên cứu là vô song."
Empa, ETH Zurich và Trung tâm Nghiên cứu IBM ở Rüschlikon cung cấp cho anh mọi thứ anh cần để tạo ra cấu trúc nano cũng như các dụng cụ đo lường để kiểm tra chúng. "Ngoài ra, tôi là người thích hoạt động ngoài trời. Tôi yêu núi và thường đi bộ và trượt tuyết cùng gia đình." Perrin cũng là một người leo núi giỏi. Đôi khi anh ấy tự mình leo núi ở những thung lũng xa xôi hàng tuần liền, thường là ở Pháp, quê hương của gia đình anh ấy.
Tại Empa, nhà nghiên cứu trẻ này có quyền tự do tiếp tục thử nghiệm vật liệu nano. Một loại vật liệu nhanh chóng thu hút sự chú ý đặc biệt của ông: dải nano graphene, một vật liệu được làm từ các nguyên tử carbon mỏng như từng nguyên tử riêng lẻ. Những dải nano này được nhóm của Roman Fasel tại Empa sản xuất với độ chính xác cao nhất. Perrin đã có thể chứng minh rằng những dải băng này có những đặc tính độc đáo và có thể được sử dụng cho rất nhiều công nghệ lượng tử.
Đồng thời, ông bắt đầu quan tâm sâu sắc đến việc chuyển nhiệt thành năng lượng điện. Trên thực tế, năm 2018 đã chứng minh rằng hiệu ứng lượng tử có thể được sử dụng để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện năng một cách hiệu quả. Cho đến nay, vấn đề là những đặc tính vật lý mong muốn này chỉ xuất hiện ở nhiệt độ rất thấp—gần bằng không độ tuyệt đối (0 Kelvin; -273,15°C). Điều này ít liên quan đến các ứng dụng tiềm năng trong tương lai như điện thoại thông minh hoặc cảm biến mini.
Perrin có ý tưởng giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng dải nano graphene. Các đặc tính vật lý cụ thể của chúng có nghĩa là nhiệt độ có tác động nhỏ hơn nhiều đến các hiệu ứng lượng tử – và do đó, đến các hiệu ứng nhiệt điện mong muốn – so với trường hợp của các vật liệu khác. Nhóm của ông tại Empa đã sớm chứng minh được rằng hiệu ứng lượng tử của dải nano graphene được bảo toàn phần lớn ngay cả ở nhiệt độ 250 Kelvin, tức là -23°C. Trong tương lai, hệ thống này dự kiến cũng sẽ hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Tiêu thụ điện năng thấp hơn nhờ ống nano
Vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua trước khi công nghệ có thể giúp điện thoại thông minh của chúng ta sử dụng ít năng lượng hơn. Thu nhỏ cực độ có nghĩa là các thành phần đặc biệt luôn được yêu cầu để đảm bảo rằng các hệ thống được xây dựng thực sự hoạt động. Perrin, cùng với các đồng nghiệp đến từ Trung Quốc, Anh và Thụy Sĩ, gần đây đã chứng minh rằng các ống nano carbon có đường kính chỉ 1 nanomet có thể được tích hợp vào các hệ thống đó dưới dạng điện cực.
Tuy nhiên, Perrin ước tính rằng sẽ phải mất ít nhất 15 năm nữa trước khi những vật liệu mỏng manh và cực kỳ phức tạp này có thể được sản xuất ở quy mô lớn và tích hợp vào các thiết bị. "Mục đích của tôi là tìm ra cơ sở cơ bản để áp dụng công nghệ này. Chỉ khi đó chúng tôi mới có thể đánh giá tiềm năng ứng dụng thực tế của nó."
