Forskere fanger et billede af negativ kapacitans i aktion

For første gang nogensinde, et internationalt team af forskere afbildede den mikroskopiske tilstand af negativ kapacitans. Dette nye resultat giver forskere grundlæggende, atomistisk indsigt i fysikken i negativ kapacitans, hvilket kan få vidtrækkende konsekvenser for energieffektiv elektronik.

Holdet, ledet af forskere ved University of California, Berkeley, beskriver deres resultater i et papir, der blev offentliggjort i 14. januar -udgaven af Natur .

Kondensatorer er enkle enheder, der kan gemme en elektrisk ladning. Deres kapacitans, eller evnen til at lagre elektrisk energi, bestemmes af, hvor meget kondensatorens ladning ændres, når den er forbundet til en spændingskilde, som et batteri. Negativ kapacitans opstår, når en ændring i ladning får netspændingen over et materiale til at ændre sig i den modsatte retning; så et fald i spænding fører til en stigning i ladningen.

"Resultatet er, at det modsatte forhold mellem ladning og spænding lokalt kan øge spændingen over det fælles dielektriske materiale, "sagde Sayeef Salahuddin, professor i elektroteknik og datalogi, der ledede den samlede indsats. "Den opnåede spændings 'forstærkning' kan bruges til at reducere forsyningsspændingskravet i en transistor, hvilket gør computere og andre elektroniske enheder mere energieffektive. "

Da vi i stigende grad er afhængige af computere til daglige opgaver, energien, der er nødvendig for at køre disse systemer, bliver betydelig. Undersøgelser viser, at det samlede elforbrug i verdens datacentre svarer til 10 procent af al elektricitet, der bruges i USA. "Det er her, et nyt fysisk fænomen, såsom negativ kapacitans, kunne give et helt nyt sæt værktøjer til at forbedre energieffektiviteten af ​​vores computere, sagde Salahuddin.

I 2008, Salahuddin forudsagde teoretisk, at tilstanden med negativ kapacitans lokalt kan stabiliseres i et ferroelektrisk materiale ved at placere det sammen med et andet almindeligt dielektrikum, eller isolerende materiale. Men indtil for nylig, dette fænomen kunne kun opdages indirekte.

Arbejdet i dette papir fangede direkte negativ kapacitans i en atomisk perfekt supergitter af ferroelektrisk-dielektrisk heterostruktur, syntetiseret af gruppen Ramamoorthy Ramesh, professor i fysik og materialevidenskab og teknik. Ved hjælp af state-of-the-art billeddannelsesteknikker, forskerne kortlagde polarisationen såvel som det elektriske felt med atomopløsning. Dette gjorde det muligt for dem at estimere den lokale energitæthed, som tydeligt viste områder, hvor krumningen af ​​energitætheden er negativ, hvilket indikerer stabilisering af den steady-state negative kapacitans.

De samme resultater blev også opnået fra state-of-the-art modelleringsteknikker. Salahuddin bemærker, at sammenløbet af eksperimentel observation og teoretisk beregning giver en konkret validering af det negative kapacitansbegreb samt et atomistisk billede af et materiale i denne tilstand.

"Vi mener, at den mikroskopiske indsigt i negativ kapacitans opnået i dette arbejde vil give forskere mulighed for at designe meget energieffektive transistorer, der kan udnytte den negative kapacitans på den mest optimale måde, "sagde Salahuddin." Betydningen af ​​vores arbejde, imidlertid, går langt ud over transistorer. Negativ kapacitans kan finde anvendelse i batterier, superkondensatorer og ikke-konventionelle elektromagnetiske applikationer. "