Paul Thibado

Paul M. Thibado est professeur de physique à l'université de l'Arkansas. Ses travaux sur le mouvement propre du graphène autoporté constituent le point de référence scientifique le plus souvent invoqué de la neutrinovoltaïque.

L'énigme de départ

Une couche unique de graphène n'est pas plane. Elle ondule dans la troisième dimension — et ces ondes sont la raison pour laquelle un cristal strictement bidimensionnel peut, purement et simplement, être stable à température ambiante. Sans elles, l'agitation thermique devrait le détruire.

Le groupe de Thibado a étudié ce mouvement avec un microscope à effet tunnel qui observe longuement des zones isolées de quelques nanomètres.

La découverte surprenante

On se serait attendu à un tremblement régulier, tel que le produit l'agitation thermique ordinaire — de nombreuses petites déviations aléatoires autour d'une position moyenne.

On a trouvé autre chose. La membrane demeure un temps assez long dans une forme de courbure puis bascule soudainement dans la forme opposée. Entre ces sauts se placent de nombreuses petites oscillations.

De tels mouvements, avec de rares grandes amplitudes, s'appellent en statistique mouvement de Lévy. Ils se distinguent mathématiquement du mouvement brownien ordinaire, et le groupe a publié cette découverte en 2016 dans les Physical Review Letters.

Le pas vers l'énergie

Lorsqu'une surface chargée se déplace, le champ électrique change dans son environnement. Si l'on place une contre-électrode, il apparaît un courant alternatif.

Cela seul ne sert à rien — un courant alternatif issu d'un mouvement aléatoire se moyenne à zéro. Il faut une rectification, donc l'effet de cliquet.

Le groupe de Thibado a couplé du graphène autoporté à un circuit par des diodes et a publié en 2020 dans Physical Review E la mesure d'un courant ainsi obtenu.

L'objection et son traitement

C'est exactement ici que commence la discussion spécialisée, et elle a un point de départ vénérable.

Richard Feynman traita dans ses cours une expérience de pensée de Marian Smoluchowski : une roue à aubes, poussée par des molécules, reliée à un cliquet qui n'autorise qu'un seul sens de rotation. Feynman montra que cela ne fonctionne pas — le linguet est lui-même si petit qu'il est poussé par l'agitation thermique et saute en arrière précisément assez souvent pour que le gain s'annule. Tant que tout est à la même température, il ne reste rien.

Transposée au dispositif de Thibado, l'objection s'énonce ainsi : les diodes aussi ont une température et bruissent. Une démonstration propre doit montrer que le courant mesuré ne provient pas de ce bruit propre.

Le groupe a présenté à ce sujet plusieurs travaux et soutient que le mouvement du graphène, en raison de son caractère de Lévy, ne correspond pas au simple cas d'équilibre que traitait Feynman.

La question est restée 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, à petite échelle, 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.

Mise en perspective

Les travaux de Thibado ont paru dans des revues spécialisées à comité de lecture et y sont encore discutés — ni ignorés ni réfutés.

C'est exactement la situation dans laquelle se trouve fréquemment la recherche fondamentale, et elle se laisse décrire sans exagération dans les deux sens : un effet mesuré, une interprétation contestée, des questions ouvertes. Qui veut situer la neutrinovoltaïque trouve ici le point de départ le plus honnête.

Termes apparentés

Sources

  • P. Thibado et al. : Fluctuation-induced current from freestanding graphene, Physical Review E 102, 042101 (2020).
  • M. L. Ackerman et al. : Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes, Physical Review Letters 117, 126801 (2016).