Впервые международная команда исследователей представила микроскопическое состояние отрицательной емкости. Этот новый результат дает исследователям фундаментальное понимание физики отрицательной емкости, которая может иметь далеко идущие последствия для энергоэффективной электроники. Команда, возглавляемая учеными из Калифорнийского университета в Беркли, описывает их результаты в статье, опубликованной в номере журнала Nature.
Конденсаторы — это простые устройства, которые могут хранить электрический заряд. Их емкость или способность накапливать электрическую энергию определяется тем, насколько сильно изменяется заряд конденсатора, когда он подключен к источнику напряжения, например к батарее. Отрицательная емкость возникает, когда изменение заряда вызывает изменение напряжения сети на материале в противоположном направлении; так что снижение напряжения приводит к увеличению заряда.
«В результате, противоположное соотношение между зарядом и напряжением может локально повысить напряжение на общем диэлектрическом материале», — сказал Сайеф Салахуддин, профессор электротехники и компьютерных наук, который руководил исследованием. «Полученное «усиление» напряжения может быть использовано для снижения требований к напряжению питания в транзисторе, что сделает компьютеры и другие электронные устройства более энергоэффективными».
Поскольку мы все больше полагаемся на компьютеры для выполнения повседневных задач, энергия, необходимая для работы этих систем, становится существенной. Исследования показывают, что общее потребление электроэнергии мировыми дата-центрами эквивалентно 10 процентам всей электроэнергии, используемой в Соединенных Штатах. «Именно здесь новое физическое явление, такое как отрицательная емкость, может обеспечить совершенно новый набор инструментов для повышения энергоэффективности наших компьютеров», — сказал Сайеф Салахуддин.
В 2008 году он теоретически предсказал, что состояние отрицательной емкости можно локально стабилизировать в сегнетоэлектрическом материале, поместив его вместе с другим обычным диэлектриком или изоляционным материалом. Но до недавнего времени это явление можно было обнаружить только косвенно.
В своей работе ученые непосредственно захватили отрицательную емкость в атомно-совершенной сверхрешетке сегнетоэлектрической диэлектрической гетероструктуры, синтезированной группой Рамамурти Рамеша, профессора физики, материаловедения и инженерии.
© Pablo Garcia Fernandez & Javier Junquera, Universidad de Cantabria
Используя современные методы визуализации, исследователи составили карту поляризации, а также электрического поля с атомным разрешением. Это позволило им оценить локальную плотность энергии, которая четко показала области, где кривизна плотности энергии является отрицательной, что указывает на стабилизацию установившейся отрицательной емкости.
Такие же результаты были получены и при использовании самых современных методов моделирования. Исследователи отмечают, что слияние экспериментальных наблюдений и теоретических расчетов обеспечивает конкретную проверку концепции отрицательной емкости, а также атомистическую картину материала в этом состоянии.
«Мы считаем, что микроскопическое понимание отрицательной емкости, полученное в этой работе, позволит исследователям разработать высокоэффективные транзисторы, которые могут использовать отрицательную емкость наиболее оптимальным образом», — сказал Сайеф Салахуддин. «Однако результаты нашей работы выходят далеко за рамки транзисторов. Отрицательная емкость может найти применение в батареях, суперконденсаторах и нестандартных электромагнитных приложениях».
Ajay K. Yadav et al. Spatially resolved steady-state negative capacitance, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-018-0855-y