(Phys.org)—En artikel som släpptes i dag av tidskriften Naturmaterial beskriver den första direkta observationen av ett länge hypotesiskt men svårfångat fenomen som kallas "negativ kapacitans". Verket beskriver en unik reaktion av elektrisk laddning på pålagd spänning i ett ferroelektriskt material som kan öppna dörren till en radikal minskning av den effekt som förbrukas av transistorer och enheterna som innehåller dem.

Kapacitans är förmågan hos ett material att lagra en elektrisk laddning. Vanliga kondensatorer – som finns i praktiskt taget alla elektroniska enheter – lagrar laddning när en spänning appliceras på dem. Det nya fenomenet har ett paradoxalt svar:när den pålagda spänningen ökar, laddningen går ner. Därav dess namn, negativ kapacitans.

"Denna fastighet, om framgångsrikt integrerat i transistorer, kan minska mängden ström de förbrukar med åtminstone en storleksordning, och kanske mycket mer, " säger tidningens huvudförfattare Asif Khan. Det skulle leda till mobiltelefonbatterier som håller längre, mindre energikrävande datorer av alla slag, och, kanske ännu viktigare, kan förlänga trenden mot snabbare med årtionden, mindre processorer som har definierat den digitala revolutionen sedan dess födelse.

Utan ett stort genombrott av detta slag, trenden mot miniatyrisering och ökad funktion hotas av de fysiska kraven från transistorer som arbetar i nanoskala. Även om de små brytarna kan göras allt mindre, mängden ström de behöver för att slås på och av kan bara minskas så mycket. Den gränsen definieras av vad som kallas Boltzmann-fördelningen av elektroner - ofta kallad Boltzmann-tyranni. Eftersom de måste matas med en oreducerbar mängd el, ultrasmå transistorer som är för tätt packade kan inte avleda värmen de genererar för att undvika självbränning.

Om ytterligare ett decennium eller så, ingenjörer kommer att uttömma alternativen för att packa in mer datorkraft i allt mindre utrymmen, en konsekvens sedd med skräck av enhetstillverkare, sensorutvecklare, och en publik som är beroende av allt mindre och kraftfullare enheter.

Den nya forskningen, genomfördes vid UC Berkeley under ledning av CITRIS-forskaren och docent i elektroteknik och datavetenskap Sayeef Salahuddin, ger ett möjligt sätt att övervinna Boltzmann-tyranni. Det förlitar sig på förmågan hos vissa material att lagra energi i sig och sedan utnyttja den för att förstärka inspänningen. Det här skulle kunna, i själva verket, potentiellt "lura" en transistor att tro att den har fått den minsta mängd spänning som krävs för att fungera. Resultatet:mindre elektricitet behövs för att slå på eller stänga av en transistor, som är den universella driften i kärnan av all datorbehandling.

Materialet som används för att uppnå negativ kapacitans faller i en klass av kristallina material som kallas ferroelektrik, som först beskrevs på 1940-talet. Dessa material har länge undersökts för minnesapplikationer och kommersiell lagringsteknik. Ferroelektrik är också populära material för frekvensstyrkretsar och många applikationer för mikroelektromekaniska system (MEMS). Dock, möjligheten att använda dessa material för energieffektiva transistorer föreslogs först av Salahuddin 2008, precis innan han började på Berkeley som biträdande professor.

Under de senaste sex åren, Khan – en av Salahuddins första doktorander vid Berkeley – har använt pulslasrar för att odla många typer av ferroelektriska material och har utarbetat och reviderat geniala sätt att testa deras negativa kapacitans.

Förutom att förändra hur transistorer fungerar, negativ kapacitans kan också potentiellt användas för att utveckla minneslagringsenheter med hög densitet, super kondensatorer, spolfria oscillatorer och resonatorer, och för att skörda energi från miljön.

Att utnyttja den negativa kapacitansen hos ferroelektrik är en i listan över strategier för att minska kostnaden per joule för att lagra en enda bit information, säger UC Berkeley professor i materialvetenskap, teknik, och fysik Ramamoorthy Ramesh, en annan av tidningens författare. Rameshs decennier av avgörande arbete med ferroelektriska material och enhetsstrukturer för att manipulera dem ligger till grund för gruppens resultat.

"Vi har precis lanserat ett program som kallas attojoule-per-bit-programmet. Det är ett försök att minska den totala energi som förbrukas för att manipulera en bit till en attojoule (10-18), " säger Ramesh. För att uppnå den typen av energiförbrukning per bit, vi måste dra nytta av alla möjliga vägar. Den negativa kapacitansen hos ferroelektrik kommer att bli mycket viktig, " han säger.

Detta arbete möjliggjordes av tillgång till CITRIS Marvell Nanofabrication Laboratory, en forskningsanläggning på UC Berkeley campus som specifikt uppmuntrar utforskning av nya material och processer. Ett av de mest avancerade akademiska nanotillverkningslabben i sitt slag i världen, NanoLab är födelseplatsen för andra spelförändrande teknologier, som den tredimensionella FinFET-transistorn som har lett vägen till skalning långt bortom gränserna för vanliga transistorer. "I dag, säger professor Ming Wu, Marvell NanoLab fakultetschef, "varje enskild transistor byggd för nästa generations mikroprocessorer eller datorer är FinFET."

"CITRIS Marvell NanoLab har toppmodern utrustning för att tillverka halvledarenheter och integrerade kretsar, " säger Wu. "Men vi tar dessa verktyg och kapacitet och tillämpar dem på material som är så nya att industrins tillverkningslabb inte skulle röra dem. Nya material som denna negativa kapacitans ferroelektriska är inte bara välkomna här, de uppmuntras aktivt."

"Nästa steg, säger Salahuddin, "är att försöka göra verkliga transistorer så att de kan utnyttja det nya fenomenet, Vi måste se till att de är kompatibla med silikonbearbetning, att de är tillverkningsbara, och att de mättekniker vi nu har bevisat i princip är praktiska och skalbara."