Ratschen-Effekt

Feynmans Ratsche: Schaufelrad, Zahnrad und Sperrklinke.Foto: Ralf Gommers, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

Der Ratschen-Effekt beschreibt den Versuch, eine ungeordnete Bewegung in eine gerichtete zu verwandeln — so wie eine Ratsche eine Hin-und-Her-Bewegung in eine Drehung in nur eine Richtung übersetzt.

Für die Neutrinovoltaik ist er zentral, denn die thermische Bewegung im Graphen ist ungeordnet, der gewünschte Strom aber gerichtet.

Feynmans Einwand

Der Gedanke ist alt und hat eine berühmte Widerlegung. Richard Feynman behandelte in seinen Vorlesungen ein Gedankenexperiment, das auf Marian Smoluchowski zurückgeht: ein winziges Schaufelrad, das von Luftmolekülen angestoßen wird, verbunden mit einer Ratsche, die nur eine Drehrichtung zulässt.

Auf den ersten Blick müsste sich das Rad drehen und Arbeit verrichten — aus purer Wärmebewegung.

Feynman zeigte, warum es das nicht tut. Die Sperrklinke der Ratsche ist selbst so klein, dass sie ebenfalls von der Wärmebewegung angestoßen wird. Sie springt gelegentlich zurück, und zwar genau so oft, dass sich der Gewinn aufhebt. Solange alles dieselbe Temperatur hat, bleibt unterm Strich nichts übrig — der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt.

Ein Gefälle ist also nötig. Genau darauf beruht die Thermoelektrik, die eine warme und eine kalte Seite braucht.

Das freistehende Graphen

Hier setzt die Arbeit von Paul Thibado an der University of Arkansas an.

Eine einzelne Lage Graphen ist nicht flach. Sie wellt sich in der dritten Dimension, und diese Wellen bewegen sich — bei Zimmertemperatur ständig. Unter dem Rastertunnelmikroskop lässt sich das beobachten: Bereiche von wenigen Nanometern schnappen zwischen zwei Wölbungsformen hin und her.

Bemerkenswert daran ist die Art der Bewegung. Sie ist nicht das gleichmäßige Zittern, das man erwarten würde, sondern besteht aus vielen kleinen Schwingungen mit gelegentlichen großen Sprüngen. Thibados Gruppe beschreibt sie als Lévy-Bewegung.

Der Aufbau

Thibados Gruppe koppelte freistehendes Graphen an eine Schaltung und veröffentlichte 2020 in Physical Review E die Messung eines Stroms, der aus diesen Bewegungen hervorgehe. Als Gleichrichter dienten Dioden.

Die Deutung wird in der Fachwelt diskutiert. Der Einwand ist derselbe, den Feynman formuliert hat: Auch die Dioden haben eine Temperatur, auch sie rauschen, und ein sauberer Nachweis muss zeigen, dass der gemessene Strom nicht aus diesem Rauschen stammt. Thibados Gruppe hat dazu mehrere Arbeiten vorgelegt und argumentiert, dass die Bewegung des Graphens nicht dem einfachen Gleichgewichtsfall entspricht.

Offen ist die Frage bis heute. 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 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.

Die Asymmetrie als Schlüssel

Allen Ratschenvorgängen ist eines gemeinsam: Sie brauchen eine Asymmetrie. Ein symmetrisches System kann keine Richtung auszeichnen; es gibt keinen Grund, warum die Ladung eher nach links als nach rechts flösse.

Genau hier liegt der Sinn der Schichtung. Zwölf abwechselnde Lagen aus zwei verschiedenen Stoffen bilden ein Gitter, das in einer Richtung anders aussieht als in der Gegenrichtung — und das dotierte Graphen verstärkt diese Ungleichheit gezielt.

Ob diese Asymmetrie ausreicht, um im gewünschten Maßstab Strom zu liefern, ist die eigentliche Frage des gesamten Vorhabens.

Quellen

P. M. Thibado u. a.: Fluctuation-induced current from freestanding graphene, Physical Review E 102, 042101 (2020).
R. P. Feynman: The Feynman Lectures on Physics, Band I, Kapitel 46 („Ratchet and pawl").