Paul Thibado

Paul M. Thibado ist Professor für Physik an der University of Arkansas. Seine Arbeiten zur Eigenbewegung von freistehendem Graphen sind der am häufigsten angeführte wissenschaftliche Bezugspunkt der Neutrinovoltaik.

Das Ausgangsrätsel

Eine einzelne Lage Graphen ist nicht flach. Sie wellt sich in der dritten Dimension — und diese Wellen sind der Grund, warum ein streng zweidimensionaler Kristall bei Zimmertemperatur überhaupt stabil sein kann. Ohne sie müsste ihn die Wärmebewegung zerstören.

Thibados Gruppe untersuchte diese Bewegung mit einem Rastertunnelmikroskop, das einzelne Bereiche von wenigen Nanometern über lange Zeit beobachtet.

Der überraschende Befund

Erwartet hätte man ein gleichmäßiges Zittern, wie es die gewöhnliche Wärmebewegung erzeugt — viele kleine, zufällige Auslenkungen um eine Mittellage.

Gefunden wurde etwas anderes. Die Membran verharrt längere Zeit in einer Wölbungsform und schnappt dann plötzlich in die entgegengesetzte um. Zwischen diesen Sprüngen liegen viele kleine Schwingungen.

Solche Bewegungen mit seltenen großen Ausschlägen heißen in der Statistik Lévy-Bewegung. Sie unterscheiden sich mathematisch von der gewöhnlichen Brownschen Bewegung, und die Gruppe veröffentlichte diesen Befund 2016 in den Physical Review Letters.

Der Schritt zur Energie

Wenn sich eine geladene Fläche bewegt, ändert sich das elektrische Feld in ihrer Umgebung. Bringt man eine Gegenelektrode an, entsteht ein wechselnder Strom.

Das allein nützt nichts — ein Wechselstrom aus Zufallsbewegung mittelt sich zu null. Man braucht eine Gleichrichtung, also den Ratschen-Effekt.

Thibados Gruppe koppelte freistehendes Graphen über Dioden an eine Schaltung und veröffentlichte 2020 in Physical Review E die Messung eines daraus gewonnenen Stroms.

Der Einwand und seine Behandlung

Genau hier setzt die Fachdiskussion an, und sie hat einen ehrwürdigen Ausgangspunkt.

Richard Feynman behandelte in seinen Vorlesungen ein Gedankenexperiment von Marian Smoluchowski: ein Schaufelrad, von Molekülen angestoßen, verbunden mit einer Ratsche, die nur eine Drehrichtung zulässt. Feynman zeigte, dass es nicht funktioniert — die Sperrklinke ist selbst so klein, dass sie von der Wärmebewegung angestoßen wird und genau so oft zurückspringt, dass sich der Gewinn aufhebt. Solange alles dieselbe Temperatur hat, bleibt nichts übrig.

Auf Thibados Aufbau übertragen lautet der Einwand: Auch die Dioden haben eine Temperatur und rauschen. Ein sauberer Nachweis muss zeigen, dass der gemessene Strom nicht aus diesem Eigenrauschen stammt.

Die Gruppe hat dazu mehrere Arbeiten vorgelegt und argumentiert, dass die Bewegung des Graphens wegen ihres Lévy-Charakters nicht dem einfachen Gleichgewichtsfall entspricht, den Feynman behandelte.

Die Frage ist bis heute offen. Was gemessen wurde, ist unstrittig; worauf es zurückgeht, wird weiter untersucht.

Warum die Gruppe sich darauf bezieht

Die Neutrino® Energy Group führt Thibados Arbeiten als einen von mehreren Bausteinen an. Der Zusammenhang liegt auf der Hand: Wenn sich aus der Eigenbewegung eines Graphengitters gerichteter Strom gewinnen lässt, dann ist das im Kleinen genau der Vorgang, den die vielschichtige Folie aus Graphen und Silizium im Großen leisten soll.

Die Mastergleichung beschreibt diesen Beitrag als einen Kanal unter mehreren — neben Teilchenimpulsen, kosmischen Myonen und elektromagnetischen Schwankungen.

Einordnung

Thibados Arbeiten sind in begutachteten Fachzeitschriften erschienen und werden dort weiter diskutiert — nicht ignoriert und nicht widerlegt.

Das ist genau die Lage, in der sich Grundlagenforschung häufig befindet, und sie lässt sich ohne Übertreibung in beide Richtungen beschreiben: Ein gemessener Effekt, eine umstrittene Deutung, offene Fragen. Wer die Neutrinovoltaik einordnen will, findet hier den ehrlichsten Ansatzpunkt.

Verwandte Begriffe

Quellen

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