(Phys.org) — Een artikel dat vandaag is gepubliceerd door het tijdschrift Natuurmaterialen beschrijft de eerste directe waarneming van een lang verondersteld maar ongrijpbaar fenomeen dat 'negatieve capaciteit' wordt genoemd. Het werk beschrijft een unieke reactie van elektrische lading op aangelegde spanning in een ferro-elektrisch materiaal die de deur zou kunnen openen voor een radicale vermindering van het energieverbruik van transistors en de apparaten die ze bevatten.

Capaciteit is het vermogen van een materiaal om een ​​elektrische lading op te slaan. Gewone condensatoren - te vinden in vrijwel alle elektronische apparaten - slaan lading op als er een spanning op wordt toegepast. Het nieuwe fenomeen heeft een paradoxale reactie:wanneer de aangelegde spanning wordt verhoogd, de lading daalt. Vandaar de naam, negatieve capaciteit.

"Dit pand, indien succesvol geïntegreerd in transistors, kan de hoeveelheid stroom die ze verbruiken met minstens een orde van grootte verminderen, en misschien nog veel meer, ", zegt de hoofdauteur van de krant, Asif Khan. Dat zou leiden tot batterijen die langer meegaan, alle soorten minder energieverbruikende computers, en, misschien nog belangrijker, de trend naar snellere, kleinere processors die sinds de geboorte de digitale revolutie hebben bepaald.

Zonder een dergelijke grote doorbraak, de trend in de richting van miniaturisering en een grotere functie wordt bedreigd door de fysieke eisen van transistors die op nanoschaal werken. Hoewel de kleine schakelaars steeds kleiner kunnen worden gemaakt, de hoeveelheid stroom die ze nodig hebben om aan en uit te worden gezet, kan slechts in beperkte mate worden verminderd. Die limiet wordt bepaald door wat bekend staat als de Boltzmann-verdeling van elektronen - vaak de Boltzmann-tirannie genoemd. Omdat ze een onherleidbare hoeveelheid elektriciteit moeten krijgen, ultrakleine transistors die te dicht op elkaar zijn gepakt, kunnen de warmte die ze genereren niet afvoeren om zelfverbranding te voorkomen.

Over nog een decennium of zo, ingenieurs zullen opties uitputten om meer rekenkracht in steeds kleinere ruimtes te stoppen, een gevolg dat met angst wordt bekeken door fabrikanten van apparaten, sensor ontwikkelaars, en een publiek dat verslaafd is aan steeds kleinere en krachtigere apparaten.

Het nieuwe onderzoek, uitgevoerd aan UC Berkeley onder leiding van CITRIS-onderzoeker en universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen Sayeef Salahuddin, biedt een mogelijke manier om de Boltzmann-tirannie te overwinnen. Het is afhankelijk van het vermogen van bepaalde materialen om energie intrinsiek op te slaan en deze vervolgens te exploiteren om de ingangsspanning te versterken. Dit zou kunnen, in werkelijkheid, mogelijk "misleiden" een transistor door te denken dat deze de minimale hoeveelheid spanning heeft ontvangen die nodig is om te werken. Het resultaat:er is minder elektriciteit nodig om een ​​transistor aan of uit te zetten, dat is de universele operatie die de kern vormt van alle computerverwerking.

Het materiaal dat wordt gebruikt om negatieve capaciteit te bereiken, valt in een klasse van kristallijne materialen die ferro-elektriciteit wordt genoemd, die voor het eerst werd beschreven in de jaren 1940. Deze materialen zijn al lang onderzocht voor geheugentoepassingen en commerciële opslagtechnologieën. Ferro-elektrische materialen zijn ook populaire materialen voor frequentieregelingscircuits en vele micro-elektromechanische systemen (MEMS) toepassingen. Echter, de mogelijkheid om deze materialen te gebruiken voor energiezuinige transistors werd voor het eerst voorgesteld door Salahuddin in 2008, vlak voordat hij bij Berkeley ging werken als assistent-professor.

In de afgelopen zes jaar, Khan - een van Salahuddins eerste afgestudeerde studenten in Berkeley - heeft pulslasers gebruikt om vele soorten ferro-elektrische materialen te kweken en heeft ingenieuze manieren bedacht en herzien om hun negatieve capaciteit te testen.

Naast het transformeren van de manier waarop transistors werken, negatieve capaciteit kan mogelijk ook worden gebruikt om geheugenopslagapparaten met hoge dichtheid te ontwikkelen, super condensatoren, spoelvrije oscillatoren en resonatoren, en voor het oogsten van energie uit de omgeving.

Het benutten van de negatieve capaciteit van ferro-elektriciteit is een van de strategieën om de kosten per joule van het opslaan van een enkel stukje informatie te verlagen, zegt UC Berkeley hoogleraar materiaalkunde, Engineering, en natuurkunde Ramamoorthy Ramesh, een andere van de auteurs van het artikel. Ramesh' decennialange baanbrekende werk aan ferro-elektrische materialen en apparaatstructuren om ze te manipuleren liggen ten grondslag aan de bevindingen van de groep.

"We hebben zojuist een programma gelanceerd met de naam attojoule-per-bit-programma. Het is een poging om het totale energieverbruik voor het manipuleren van een bit te verminderen tot één attojoule (10-18), ", zegt Ramesh. Om dat soort energieverbruik per bit te bereiken, we moeten alle mogelijke wegen benutten. De negatieve capaciteit van ferro-elektriciteit wordt een zeer belangrijke, " hij zegt.

Dit werk werd mogelijk gemaakt door toegang tot het Marvell Nanofabrication Laboratory van CITRIS, een onderzoeksfaciliteit op de campus van UC Berkeley die specifiek de verkenning van nieuwe materialen en processen stimuleert. Een van de meest geavanceerde academische laboratoria voor nanofabricage in zijn soort ter wereld, het NanoLab is de geboorteplaats van andere baanbrekende technologieën, zoals de driedimensionale FinFET-transistor die de weg heeft geleid naar schaalvergroting tot ver buiten de grenzen van gewone transistors. "Vandaag, " zegt professor Ming Wu, Faculteitsdirecteur Marvell NanoLab, "Elke transistor die is gebouwd voor microprocessors of computers van de volgende generatie is FinFET."

"CITRIS' Marvell NanoLab beschikt over ultramoderne apparatuur voor het maken van halfgeleiderapparaten en geïntegreerde schakelingen, ", zegt Wu. "Maar we nemen deze tools en mogelijkheden en passen ze toe op materialen die zo nieuw zijn dat industriële fabricagelaboratoria ze niet zouden aanraken. Nieuwe materialen zoals deze ferro-elektriciteit met negatieve capaciteit zijn hier niet alleen welkom, ze worden actief aangemoedigd."

"De volgende stap, " zegt Salahuddin, "is om te proberen echte transistors te maken zodat ze het nieuwe fenomeen kunnen exploiteren, We moeten ervoor zorgen dat ze compatibel zijn met siliciumverwerking, dat ze maakbaar zijn, en dat de meettechnieken die we nu in principe hebben bewezen praktisch en schaalbaar zijn."