Per la prima volta in assoluto, un team internazionale di ricercatori ha ripreso lo stato microscopico della capacità negativa. Questo nuovo risultato fornisce ai ricercatori fondamentali, intuizione atomistica nella fisica della capacità negativa, che potrebbe avere conseguenze di vasta portata per l'elettronica ad alta efficienza energetica.

Il gruppo, guidato da scienziati dell'Università della California, Berkeley, descrive i loro risultati in un articolo pubblicato nel numero del 14 gennaio di Natura .

I condensatori sono dispositivi semplici in grado di immagazzinare una carica elettrica. La loro capacità, o capacità di immagazzinare energia elettrica, è determinato da quanto cambia la carica del condensatore quando è collegato a una sorgente di tensione, come una batteria. La capacità negativa si verifica quando una variazione di carica fa sì che la tensione netta attraverso un materiale cambi nella direzione opposta; in modo che una diminuzione della tensione porti ad un aumento della carica.

"Il risultato è che la relazione opposta tra carica e tensione potrebbe aumentare localmente la tensione attraverso il materiale dielettrico comune, "ha detto Sayeef Salahuddin, professore di ingegneria elettrica e informatica, che ha guidato lo sforzo complessivo. "L'"amplificazione" della tensione ottenuta potrebbe essere utilizzata per ridurre il fabbisogno di tensione di alimentazione in un transistor, rendendo così computer e altri dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico."

Poiché ci affidiamo sempre più ai computer per le attività quotidiane, l'energia necessaria per far funzionare questi sistemi sta diventando notevole. Gli studi dimostrano che il consumo totale di elettricità dei data center del mondo è equivalente al 10% di tutta l'elettricità utilizzata negli Stati Uniti. "È qui che un nuovo fenomeno fisico come la capacità negativa potrebbe fornire una serie completamente nuova di strumenti per migliorare l'efficienza energetica dei nostri computer, ", ha detto Salahuddin.

Nel 2008, Salahuddin prevedeva teoricamente che lo stato di capacità negativa può essere stabilizzato localmente in un materiale ferroelettrico ponendolo insieme ad un altro dielettrico comune, o materiale isolante. Ma fino a poco tempo fa questo fenomeno potrebbe essere rilevato solo indirettamente.

Il lavoro in questo articolo ha catturato direttamente la capacità negativa in un superreticolo atomicamente perfetto di eterostruttura ferroelettrica-dielettrica, sintetizzato dal gruppo di Ramamoorthy Ramesh, professore di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali. Utilizzando tecniche di imaging all'avanguardia, i ricercatori hanno mappato la polarizzazione e il campo elettrico con risoluzione atomica. Ciò ha permesso loro di stimare la densità energetica locale, che ha mostrato chiaramente le regioni in cui la curvatura della densità di energia è negativa, indicando la stabilizzazione della capacità negativa allo stato stazionario.

Gli stessi risultati sono stati ottenuti anche da tecniche di modellazione all'avanguardia. Salahuddin osserva che la confluenza dell'osservazione sperimentale e del calcolo teorico fornisce una convalida concreta del concetto di capacità negativa, nonché un'immagine atomistica di un materiale in questo stato.

"Riteniamo che l'intuizione microscopica della capacità negativa ottenuta in questo lavoro consentirà ai ricercatori di progettare transistor ad alta efficienza energetica in grado di sfruttare la capacità negativa nel modo più ottimale, " ha detto Salahuddin. "L'implicazione del nostro lavoro, però, va ben oltre i transistor. La capacità negativa potrebbe trovare impiego nelle batterie, supercondensatori e applicazioni elettromagnetiche non convenzionali."