För första gången någonsin, ett internationellt team av forskare avbildade det mikroskopiska tillståndet av negativ kapacitans. Detta nya resultat ger forskare grundläggande, atomistisk insikt i den negativa kapacitansens fysik, vilket kan få långtgående konsekvenser för energieffektiv elektronik.

Laget, ledd av forskare vid University of California, Berkeley, beskriver deras resultat i en artikel som publicerades i numret 14 januari av Natur .

Kondensatorer är enkla enheter som kan lagra en elektrisk laddning. Deras kapacitans, eller förmåga att lagra elektrisk energi, bestäms av hur mycket kondensatorns laddning ändras när den är ansluten till en spänningskälla, som ett batteri. Negativ kapacitans uppstår när en förändring i laddningen gör att nettospänningen över ett material ändras i motsatt riktning; så att en minskning av spänningen leder till en ökning av laddningen.

"Resultatet är att det motsatta förhållandet mellan laddning och spänning lokalt kan öka spänningen över det vanliga dielektriska materialet, sa Sayeef Salahuddin, professor i elektroteknik och datavetenskap, som ledde den övergripande insatsen. "Spänningen 'förstärkning' som erhålls kan användas för att minska matningsspänningskravet i en transistor, vilket gör datorer och andra elektroniska enheter mer energieffektiva."

När vi i allt högre grad förlitar oss på datorer för dagliga uppgifter, energin som behövs för att driva dessa system blir betydande. Studier visar att den totala elförbrukningen i världens datacenter motsvarar 10 procent av all el som används i USA. "Det är här ett nytt fysiskt fenomen som negativ kapacitans kan ge en helt ny uppsättning verktyg för att förbättra energieffektiviteten hos våra datorer, sa Salahuddin.

2008, Salahuddin förutspådde teoretiskt att tillståndet med negativ kapacitans kan stabiliseras lokalt i ett ferroelektriskt material genom att placera det tillsammans med en annan vanlig dielektrikum, eller isoleringsmaterial. Men tills nyligen, detta fenomen kunde endast upptäckas indirekt.

Arbetet i detta dokument fångade direkt negativ kapacitans i ett atomiskt perfekt supergitter av ferroelektrisk-dielektrisk heterostruktur, syntetiserad av gruppen Ramamoorthy Ramesh, professor i fysik och i materialvetenskap och teknik. Med hjälp av toppmoderna bildtekniker, forskarna kartlade polarisationen såväl som det elektriska fältet med atomär upplösning. Detta gjorde det möjligt för dem att uppskatta den lokala energitätheten, som tydligt visade områden där krökningen av energitätheten är negativ, vilket indikerar stabilisering av den negativa konstanta kapacitansen.

Samma resultat erhölls också från toppmoderna modelleringstekniker. Salahuddin noterar att sammanflödet av experimentell observation och teoretisk beräkning ger en konkret validering av det negativa kapacitanskonceptet såväl som en atomistisk bild av ett material i detta tillstånd.

"Vi tror att den mikroskopiska insikten om negativ kapacitans som erhålls i detta arbete kommer att göra det möjligt för forskare att designa mycket energieffektiva transistorer som kan utnyttja den negativa kapacitansen på det mest optimala sättet, " sade Salahuddin. "Konsekvensen av vårt arbete, dock, går långt utöver transistorer. Negativ kapacitans kan användas i batterier, superkondensatorer och icke-konventionella elektromagnetiska applikationer."