Nyligt udviklet statisk negativ kondensator kunne forbedre computing

Med lidt fysisk opfindsomhed, forskere har designet en måde at omfordele elektricitet i lille skala, potentielt åbner nye veje for forskning i mere energieffektive computere.

I en ny undersøgelse, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, sammen med samarbejdspartnere i Frankrig og Rusland, har skabt en permanent statisk "negativ kondensator, "en enhed, der menes at have været i strid med fysiske love indtil omkring et årti siden.

Mens tidligere foreslåede designs til negative kondensatorer arbejdede på en midlertidig, forbigående grundlag, det nye Argonne-udviklede negative kondensatorkoncept fungerer som en steady-state, vendbar enhed.

Forskerne fandt ud af, at ved at parre en negativ kondensator i serie med en positiv kondensator, de kunne lokalt øge spændingen på den positive kondensator til et punkt højere end den samlede systemspænding. På denne måde, de kunne distribuere elektricitet til områder i et kredsløb, der kræver højere spænding, mens hele kredsløbet drives ved lavere spænding.

"Målet er at få elektricitet, hvor det er nødvendigt, mens man bruger så lidt som muligt i en kontrolleret, statisk regime, "sagde Argonne materialeforsker Valerii Vinokur, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

I traditionelle kondensatorer, kondensatorens elektriske spænding er proportional med deres lagrede elektriske ladning - forøgelse af mængden af ​​lagret ladning øger spændingen. I negative kondensatorer, det modsatte sker - forøgelse af ladningsmængden reducerer spændingen. Fordi den negative kondensator er en del af det større kredsløb, dette krænker ikke energibesparelse.

"En måde du kan tænke på det er som at have et køleskab, "sagde videnskabsmand Igor Lukyanchuk fra University of Picardie (Frankrig), den første forfatter til papiret. "Inde i køleskabet, selvfølgelig, det er meget koldere end det ydre miljø, men det er fordi vi opvarmer resten af ​​miljøet ved at bruge energi på at afkøle køleskabet. "

En primær komponent i den negative kondensator fremsat af Vinokur og hans kolleger involverer en fyldning lavet af et ferroelektrisk materiale, som ligner en magnet bortset fra at den har en intern elektrisk polarisering, frem for en magnetisk orientering.

"I en ferroelektrisk nanopartikel, på den ene overflade vil du have en positiv ladning, og på den anden overflade vil du have negative ladninger, "Vinokur sagde." Dette skaber elektriske felter, der forsøger at depolarisere materialet. "

Ved at opdele en nanopartikel i to lige ferroelektriske domæner med modsat polarisering, adskilt af en grænse kaldet en domænevæg, Vinokur og hans kolleger var i stand til at minimere effekten af ​​det totale depolariserende elektriske felt. Derefter, ved at tilføje ladning til et af de ferroelektriske domæner, forskerne skiftede domænevægens position mellem dem.

På grund af nanopartikelens cylindriske karakter, domænemuren begyndte at skrumpe, får det til at forskyde sig ud over det nye elektriske ligevægtspunkt. "Grundlæggende, du kan tænke på domænevæggen som en fuldt udstrakt fjeder, "sagde Lukyanchuk." Når domænevæggen forskyder sig til den ene side på grund af ladningsubalancen, foråret slapper af, og den frigivne elastiske energi driver den videre end forventet. Denne effekt skaber den statiske negative kapacitans. "

En artikel baseret på undersøgelsen, "Udnyttelse af ferroelektriske domæner til negativ kapacitans, "optrådte i online -udgaven af ​​Communications Physics 26. februar. Forfatterne af undersøgelsen omfatter også Anaïs Sené fra University of Picardie, og Yuri Tikhonov og Anna Razumnaya fra det sydlige føderale universitet (Rusland).