Med lite fysik påhittighet, forskare har utformat ett sätt att omfördela elektricitet i liten skala, potentiellt öppna nya vägar för forskning om mer energieffektiv datoranvändning.

I en ny studie, forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, tillsammans med kollaboratörer i Frankrike och Ryssland, har skapat en permanent statisk "negativ kondensator, "en enhet som ansågs ha brutit mot fysiska lagar tills för ungefär ett decennium sedan.

Medan tidigare föreslagna konstruktioner för negativa kondensatorer arbetade på en tillfällig, övergående grund, det nya Argonne-utvecklade negativa kondensatorkonceptet fungerar som ett stabilt tillstånd, vändbar anordning.

Forskarna fann att genom att para en negativ kondensator i serie med en positiv kondensator, de kan lokalt öka spänningen på den positiva kondensatorn till en punkt högre än den totala systemspänningen. På det här sättet, de skulle kunna distribuera elektricitet till områden i en krets som kräver högre spänning samtidigt som hela kretsen drivs med lägre spänning.

"Målet är att få elen där den behövs samtidigt som den använder så lite som möjligt i en kontrollerad, statisk regim, " sa Argonne materialforskare Valerii Vinokur, motsvarande författare till studien.

I traditionella kondensatorer, kondensatorns elektriska spänning är proportionell mot deras lagrade elektriska laddning – en ökning av mängden lagrad laddning ökar spänningen. I negativa kondensatorer, det motsatta händer – en ökning av mängden laddning minskar spänningen. Eftersom den negativa kondensatorn är en del av den större kretsen, detta bryter inte mot energibesparingen.

"Ett sätt du kan tänka på det är som att ha ett kylskåp, " sa forskaren Igor Lukyanchuk vid University of Picardie (Frankrike), tidningens första författare. "Inne i kylskåpet, självklart, det är mycket kallare än utemiljön, men det beror på att vi värmer upp resten av miljön genom att förbruka energi för att kyla kylskåpet."

En huvudkomponent i den negativa kondensatorn som Vinokur och hans kollegor presenterade är en fyllning gjord av ett ferroelektriskt material, som liknar en magnet förutom att den har en inre elektrisk polarisation, snarare än en magnetisk orientering.

"I en ferroelektrisk nanopartikel, på en yta kommer du att ha en positiv laddning, och på den andra ytan kommer du att ha negativa laddningar, "Vinokur sa. "Detta skapar elektriska fält som försöker depolarisera materialet."

Genom att dela en nanopartikel i två lika ferroelektriska domäner med motsatt polarisation, åtskilda av en gräns som kallas en domänvägg, Vinokur och hans kollegor kunde minimera effekten av det totala depolariserande elektriska fältet. Sedan, genom att lägga till laddning till en av de ferroelektriska domänerna, forskarna flyttade placeringen av domänväggen mellan dem.

På grund av nanopartikelns cylindriska natur, domänväggen började krympa, vilket får den att förskjutas bortom den nya elektriska jämviktspunkten. "Väsentligen, du kan tänka på domänväggen som en helt utdragen fjäder, " sa Lukyanchuk. "När domänväggen förskjuts åt ena sidan på grund av laddningsobalansen, våren slappnar av, och den frigjorda elastiska energin driver den längre än förväntat. Denna effekt skapar den statiska negativa kapacitansen."

En artikel baserad på studien, "Att utnyttja ferroelektriska domäner för negativ kapacitans, " dök upp i onlineupplagan av Communications Physics den 26 februari. Författarna till studien inkluderar även Anaïs Sené från University of Picardie, och Yuri Tikhonov och Anna Razumnaya från Southern Federal University (Ryssland).