Effet de cliquet

L'effet de cliquet décrit la tentative de transformer un mouvement désordonné en un mouvement dirigé — de la même manière qu'un cliquet traduit un mouvement de va-et-vient en une rotation dans un seul sens.

Pour la neutrinovoltaïque, il est central, car le mouvement thermique dans le graphène est désordonné, alors que le courant souhaité est dirigé.

L'objection de Feynman

L'idée est ancienne et a fait l'objet d'une réfutation célèbre. Richard Feynman traita dans ses cours une expérience de pensée qui remonte à Marian Smoluchowski : une minuscule roue à aubes, poussée par les molécules de l'air, reliée à un cliquet qui n'autorise qu'un seul sens de rotation.

À première vue, la roue devrait tourner et fournir un travail — à partir de la pure agitation thermique.

Feynman montra pourquoi elle ne le fait pas. Le linguet du cliquet est lui-même si petit qu'il est lui aussi poussé par l'agitation thermique. Il saute occasionnellement en arrière, et précisément assez souvent pour que le gain s'annule. Tant que tout est à la même température, il ne reste rien au bout du compte — le deuxième principe de la thermodynamique s'applique.

Un gradient est donc nécessaire. C'est exactement là-dessus que repose la thermoélectricité, qui a besoin d'un côté chaud et d'un côté froid.

Le graphène autoporté

C'est ici qu'intervient le travail de Paul Thibado à l'université de l'Arkansas.

Une couche unique de graphène n'est pas plane. Elle ondule dans la troisième dimension, et ces ondes se déplacent — en permanence à température ambiante. Sous le microscope à effet tunnel, on peut l'observer : des zones de quelques nanomètres basculent d'une forme de courbure à l'autre.

Ce qui est remarquable là-dedans, c'est la nature du mouvement. Ce n'est pas le tremblement régulier auquel on s'attendrait, mais un ensemble de nombreuses petites oscillations avec, de temps à autre, de grands sauts. Le groupe de Thibado le décrit comme un mouvement de Lévy.

Le dispositif

Le groupe de Thibado a couplé du graphène autoporté à un circuit et a publié en 2020 dans Physical Review E la mesure d'un courant qui en découlerait. Des diodes servaient de redresseur.

L'interprétation est discutée dans le monde spécialisé. L'objection est la même que celle qu'a formulée Feynman : les diodes aussi ont une température, elles aussi bruissent, et une démonstration propre doit montrer que le courant mesuré ne provient pas de ce bruit. Le groupe de Thibado a présenté à ce sujet plusieurs travaux et soutient que le mouvement du graphène ne correspond pas au simple cas d'équilibre.

La question reste ouverte à ce jour. Ce qui a été mesuré n'est pas contesté ; à quoi cela tient est encore à l'étude.

Pourquoi le groupe s'y réfère

Le Neutrino® Energy Group cite les travaux de Thibado comme l'un de plusieurs éléments. Le lien est évident : si l'on peut tirer un courant dirigé du mouvement propre d'un réseau de graphène, alors c'est exactement le processus que le film multicouche de graphène et de silicium est censé accomplir à grande échelle.

L'équation maîtresse décrit cette contribution comme un canal parmi plusieurs — à côté des impulsions de particules, des muons cosmiques et des fluctuations électromagnétiques.

L'asymétrie comme clé

Tous les processus de cliquet ont une chose en commun : ils ont besoin d'une asymétrie. Un système symétrique ne peut privilégier aucune direction ; il n'y a aucune raison pour que la charge s'écoule plutôt vers la gauche que vers la droite.

C'est précisément là que réside le sens de l'empilement. Douze couches alternées de deux substances différentes forment un réseau qui n'a pas le même aspect dans un sens et dans l'autre — et le graphène dopé renforce cette inégalité de façon ciblée.

Savoir si cette asymétrie suffit à fournir du courant à l'échelle souhaitée est la véritable question de tout le projet.

Termes apparentés

• Paul Thibado — les mesures
• Graphène et Graphène dopé
• Thermoélectricité — la voie passant par un gradient
• L'équation maîtresse

Sources

• P. M. Thibado et al. : Fluctuation-induced current from freestanding graphene, Physical Review E 102, 042101 (2020).
• R. P. Feynman : The Feynman Lectures on Physics, tome I, chapitre 46 (« Ratchet and pawl »).