Эффект храповика

Эффект храповика описывает попытку превратить неупорядоченное движение в направленное — так же, как храповик переводит движение туда-сюда во вращение только в одну сторону.

Для нейтриновольтаики он централен, ведь тепловое движение в графене неупорядоченно, а желаемый ток — направлен.

Возражение Фейнмана

Мысль эта стара и имеет знаменитое опровержение. Ричард Фейнман разбирал в своих лекциях мысленный эксперимент, восходящий к Мариану Смолуховскому: крохотное лопастное колесо, которое подталкивают молекулы воздуха, соединённое с храповиком, допускающим лишь одно направление вращения.

На первый взгляд колесо должно было бы вращаться и совершать работу — из чистого теплового движения.

Фейнман показал, почему оно этого не делает. Собачка храповика сама настолько мала, что её тоже подталкивает тепловое движение. Она время от времени отскакивает назад, причём ровно так часто, что выигрыш сходит на нет. Пока всё имеет одну и ту же температуру, в итоге не остаётся ничего — второй закон термодинамики в силе.

Значит, градиент необходим. Именно на этом основано термоэлектричество, которому нужны тёплая и холодная стороны.

Свободно подвешенный графен

Здесь начинается работа Пола Тибадо в Университете Арканзаса.

Отдельный слой графена не плоский. Он идёт волнами в третьем измерении, и эти волны движутся — при комнатной температуре непрерывно. Под сканирующим туннельным микроскопом это можно наблюдать: области размером в несколько нанометров перещёлкиваются туда-сюда между двумя формами изгиба.

Примечателен в этом характер движения. Это не то равномерное дрожание, какого можно было бы ожидать, а множество малых колебаний с редкими большими скачками. Группа Тибадо описывает его как движение Леви.

Установка

Группа Тибадо связала свободно подвешенный графен со схемой и опубликовала в 2020 году в Physical Review E измерение тока, который, по её изложению, происходит из этих движений. Выпрямителями служили диоды.

Толкование обсуждается в научном сообществе. Возражение то же самое, какое сформулировал Фейнман: у диодов тоже есть температура, они тоже шумят, и чистое доказательство должно показать, что измеренный ток не происходит из этого шума. Группа Тибадо представила по этому поводу несколько работ и доказывает, что движение графена не соответствует простому равновесному случаю.

Вопрос открыт по сей день. Что было измерено — бесспорно; чем это вызвано — исследуется дальше.

Почему группа на это ссылается

Neutrino® Energy Group приводит работы Тибадо как один из нескольких строительных элементов. Связь очевидна: если из собственного движения графеновой решётки можно получить направленный ток, то это ровно тот процесс, который в большом масштабе должна осуществлять многослойная плёнка из графена и кремния.

Основное уравнение описывает этот вклад как один канал среди нескольких — наряду с импульсами частиц, космическими мюонами и электромагнитными колебаниями.

Асимметрия как ключ

Всем храповым процессам присуще одно: им нужна асимметрия. Симметричная система не может выделить направление; нет причины, почему заряд тёк бы скорее налево, чем направо.

Именно в этом смысл наслоения. Двенадцать чередующихся слоёв из двух разных веществ образуют решётку, которая в одном направлении выглядит иначе, чем в обратном, — а легированный графен целенаправленно усиливает это неравенство.

Достаточно ли этой асимметрии, чтобы поставлять ток в желаемом масштабе, — это и есть собственно вопрос всего начинания.

Родственные понятия

• Пол Тибадо — измерения
• Графен и Легированный графен
• Термоэлектричество — путь через градиент
• Основное уравнение

Источники

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