Lorsque Mickael Perrin a débuté sa carrière scientifique, il y a 12 ans, il ne savait pas qu’il menait des recherches dans un domaine qui susciterait l’intérêt du grand public quelques années plus tard : l’électronique quantique. « À l’époque, les physiciens commençaient tout juste à parler du potentiel des technologies quantiques et des ordinateurs quantiques », se souvient-il.
« Il existe aujourd’hui des dizaines de start-up dans ce domaine, et les gouvernements et les entreprises investissent des milliards pour développer cette technologie. Nous voyons aujourd’hui les premières applications dans les domaines de l’informatique, de la cryptographie, des communications et des capteurs. » Les recherches de Perrin ouvrent un autre champ d’application : la production d’électricité par effets quantiques avec une perte d’énergie quasiment nulle. Pour y parvenir, le scientifique de 36 ans combine deux disciplines de la physique habituellement distinctes : la thermodynamique et la mécanique quantique.
Au cours de la dernière année, la qualité des recherches de Perrin et son potentiel d’applications futures lui ont valu deux prix. Il a reçu non seulement l’une des ERC Starting Grants très recherchées par les jeunes chercheurs, mais également une Eccellenza Professorial Fellowship du Fonds national suisse (SNS)F. Il dirige désormais un groupe de recherche de neuf personnes à l’Empa et est professeur assistant d’électronique quantique à l’ETH Zurich.
Dix mille fois plus petit qu’un cheveu
Perrin nous dit qu’il ne s’est jamais considéré comme ayant un don naturel pour les mathématiques. « C’est principalement la curiosité qui m’a poussé vers la physique. Je voulais mieux comprendre le fonctionnement du monde qui nous entoure, et la physique offre d’excellents outils pour y parvenir. » Après avoir terminé ses études secondaires à Amsterdam, il a entamé en 2005 des études de physique appliquée à l’Université technologique de Delft (TU Delft). Dès le début, Perrin s’est davantage intéressé aux applications concrètes qu’à la théorie.
C’est pendant ses études auprès de Herre van der Zant, un pionnier dans le domaine de l’électronique quantique, que Perrin a découvert pour la première fois la fascination de concevoir de minuscules dispositifs à l’échelle microscopique et nanométrique. Il a vite reconnu les possibilités infinies offertes par l’électronique moléculaire, puisque les circuits ont des caractéristiques complètement différentes selon les molécules et les matériaux sélectionnés et peuvent être utilisés comme transistors, diodes ou capteurs.
Pendant ses études de doctorat, Perrin a passé beaucoup de temps dans la salle blanche du nanolab de la TU Delft, constamment enveloppé dans une combinaison blanche pour éviter que l’électronique miniature ne soit contaminée par des cheveux ou des particules de poussière. La salle blanche a fourni l’infrastructure technologique nécessaire pour construire des machines de quelques nanomètres (environ 10 000 fois plus petites que le diamètre d’un cheveu humain).
« En règle générale, plus la structure que vous souhaitez construire est petite, plus la machine dont vous aurez besoin pour le faire sera grande et coûteuse », explique Perrin. Les machines de lithographie, par exemple, sont utilisées pour modeler des mini-circuits complexes sur des micropuces. « La nanofabrication et la physique expérimentale nécessitent beaucoup de créativité et de patience, car quelque chose ne va presque toujours pas », explique Perrin. « Pourtant, ce sont les résultats étranges et inattendus qui s’avèrent souvent les plus excitants. »
Le graphène : un matériau miracle
Un an après avoir terminé son doctorat, Perrin obtient un poste à l’Empa dans le laboratoire de Michel Calame, expert en intégration de matériaux quantiques dans des nanodispositifs. Depuis, Perrin, de nationalité française et suisse, vit à Dübendorf avec sa compagne et ses deux filles. « La Suisse était pour moi un bon choix pour plusieurs raisons », dit-il. « L’infrastructure de recherche est sans précédent. »
L’Empa, l’ETH Zurich et le centre de recherche IBM de Rüschlikon lui fournissent tout ce dont il a besoin pour produire des nanostructures ainsi que les instruments de mesure pour les tester. « De plus, je suis un amateur de plein air. J’adore la montagne et je vais souvent marcher et skier avec ma famille. » Perrin est également un passionné d’escalade. Il s’en va parfois pendant des semaines dans des vallées reculées, souvent en France, pays d’origine de sa famille.
À l’Empa, ce jeune chercheur a eu la liberté de poursuivre ses expériences avec les nanomatériaux. Un certain matériau a rapidement attiré son attention particulière : les nanorubans de graphène, un matériau composé d’atomes de carbone aussi fin que les atomes individuels. Ces nanorubans sont fabriqués avec la plus grande précision par le groupe de Roman Fasel à l’Empa. Perrin a pu montrer que ces rubans ont des propriétés uniques et peuvent être utilisés pour toute une série de technologies quantiques.
Parallèlement, il commence à s’intéresser de près à la conversion de la chaleur en énergie électrique. En 2018, il a en effet été prouvé que les effets quantiques pouvaient être utilisés pour convertir efficacement l’énergie thermique en électricité. Jusqu’à présent, le problème était que ces propriétés physiques souhaitables n’apparaissent qu’à des températures très basses, proches du zéro absolu (0 Kelvin ; -237°C). Ceci est peu pertinent pour les applications futures potentielles telles que les smartphones ou les minicapteurs.
Perrin a eu l’idée de contourner ce problème en utilisant des nanorubans de graphène. Leurs propriétés physiques spécifiques signifient que la température a un impact beaucoup plus faible sur les effets quantiques – et donc sur les effets thermoélectriques souhaités – que ce n’est le cas avec d’autres matériaux. Son groupe de l’Empa a rapidement pu démontrer que les effets quantiques des nanorubans de graphène sont largement préservés même à 250 Kelvin, soit -23°C. À l’avenir, le système devrait également fonctionner à température ambiante.
Consommation d’énergie réduite grâce aux nanotubes
Il reste encore de nombreux défis à relever avant que la technologie permette à nos smartphones de consommer moins d’énergie. La miniaturisation extrême signifie que des composants spéciaux restent nécessaires pour garantir le bon fonctionnement des systèmes construits. Perrin, en collaboration avec des collègues de Chine, du Royaume-Uni et de Suisse, a récemment montré que des nanotubes de carbone d’un seul nanomètre de diamètre pouvaient être intégrés dans ces systèmes sous forme d’électrodes.
Cependant, Perrin estime qu’il faudra encore au moins 15 ans avant que ces matériaux délicats et très complexes puissent être fabriqués à grande échelle et incorporés dans des appareils. « Mon objectif est d’établir les bases fondamentales de l’application de cette technologie. Ce n’est qu’alors que nous pourrons évaluer son potentiel d’utilisation pratique. »