Voor de eerste keer ooit, een internationaal team van onderzoekers bracht de microscopische toestand van negatieve capaciteit in beeld. Dit nieuwe resultaat biedt onderzoekers fundamentele, atomistisch inzicht in de fysica van negatieve capaciteit, die verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor energiezuinige elektronica.

Het team, geleid door wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, beschrijft hun resultaten in een paper gepubliceerd in het nummer van 14 januari van Natuur .

Condensatoren zijn eenvoudige apparaten die een elektrische lading kunnen opslaan. hun capaciteit, of het vermogen om elektrische energie op te slaan, wordt bepaald door hoeveel de lading van de condensator verandert wanneer deze is aangesloten op een spanningsbron, als een batterij. Negatieve capaciteit treedt op wanneer een verandering in lading ervoor zorgt dat de netto spanning over een materiaal in de tegenovergestelde richting verandert; zodat een afname van de spanning leidt tot een toename van de lading.

"Het resultaat is dat de tegenovergestelde relatie tussen lading en spanning plaatselijk de spanning over het gewone diëlektrische materiaal zou kunnen verhogen, " zei Sayeef Salahuddin, hoogleraar elektrotechniek en informatica, die de algehele inspanning leidde. "De verkregen spanningsversterking zou kunnen worden gebruikt om de vereiste voedingsspanning in een transistor te verminderen, waardoor computers en andere elektronische apparaten energiezuiniger worden."

Omdat we voor dagelijkse taken steeds meer afhankelijk zijn van computers, de energie die nodig is om deze systemen te laten werken, wordt aanzienlijk. Studies tonen aan dat het totale elektriciteitsverbruik door de datacenters van de wereld gelijk is aan 10 procent van alle elektriciteit die in de Verenigde Staten wordt gebruikt. "Dit is waar een nieuw fysiek fenomeen zoals negatieve capaciteit een volledig nieuwe set hulpmiddelen zou kunnen bieden om de energie-efficiëntie van onze computers te verbeteren, ' zei Salahuddin.

In 2008, Salahuddin voorspelde theoretisch dat de toestand van negatieve capaciteit lokaal kan worden gestabiliseerd in een ferro-elektrisch materiaal door het samen met een ander algemeen diëlektricum te plaatsen, of isolatiemateriaal. Maar tot voor kort, dit fenomeen kon alleen indirect worden gedetecteerd.

Het werk in dit artikel legde direct negatieve capaciteit vast in een atomair perfect superrooster van ferro-elektrisch-diëlektrische heterostructuur, gesynthetiseerd door de groep van Ramamoorthy Ramesh, hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en techniek. Met behulp van state-of-the-art beeldvormingstechnieken, de onderzoekers brachten zowel de polarisatie als het elektrische veld in kaart met atomaire resolutie. Hierdoor konden ze de lokale energiedichtheid schatten, die duidelijk regio's liet zien waar de kromming van de energiedichtheid negatief is, wat wijst op stabilisatie van de steady-state negatieve capaciteit.

Dezelfde resultaten werden ook verkregen met state-of-the-art modelleringstechnieken. Salahuddin merkt op dat de samenvloeiing van experimentele observatie en theoretische berekening een concrete validatie van het concept van negatieve capaciteit biedt, evenals een atomistisch beeld van een materiaal in deze staat.

"We zijn van mening dat het microscopische inzicht in negatieve capaciteit dat in dit werk is verkregen, onderzoekers in staat zal stellen zeer energiezuinige transistors te ontwerpen die de negatieve capaciteit op de meest optimale manier kunnen benutten, " zei Salahuddin. "De implicatie van ons werk, echter, gaat veel verder dan transistoren. Negatieve capaciteit kan worden gebruikt in batterijen, supercondensatoren en niet-conventionele elektromagnetische toepassingen."