Con un po' di ingegno fisico, gli scienziati hanno progettato un modo per ridistribuire l'elettricità su piccola scala, potenzialmente aprendo nuove strade di ricerca verso un'informatica più efficiente dal punto di vista energetico.

In un nuovo studio, ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, insieme a collaboratori in Francia e Russia, hanno creato un "condensatore negativo" statico permanente, "un dispositivo ritenuto in violazione delle leggi fisiche fino a circa un decennio fa.

Mentre i progetti precedentemente proposti per i condensatori negativi funzionavano su un temporaneo, base transitoria, il nuovo concetto di condensatore negativo sviluppato da Argonne funziona come uno stato stazionario, dispositivo reversibile.

I ricercatori hanno scoperto che accoppiando un condensatore negativo in serie con un condensatore positivo, potrebbero aumentare localmente la tensione sul condensatore positivo fino a un punto superiore alla tensione totale del sistema. In questo modo, potrebbero distribuire elettricità alle regioni di un circuito che richiedono una tensione più elevata mentre fanno funzionare l'intero circuito a una tensione più bassa.

"L'obiettivo è quello di portare l'elettricità dove serve usando il meno possibile in un ambiente controllato, regime statico, " ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Valerii Vinokur, il corrispondente autore dello studio.

Nei condensatori tradizionali, la tensione elettrica del condensatore è proporzionale alla loro carica elettrica immagazzinata, aumentando la quantità di carica immagazzinata aumenta la tensione. Nei condensatori negativi, accade il contrario:aumentando la quantità di carica diminuisce la tensione. Poiché il condensatore negativo fa parte del circuito più grande, questo non viola la conservazione dell'energia.

"Un modo in cui puoi pensarci è come avere un frigorifero, ", ha affermato lo scienziato dell'Università della Piccardia (Francia) Igor Lukyanchuk, il primo autore del saggio. "Dentro il frigorifero, Certo, è molto più freddo dell'ambiente esterno, ma questo perché riscaldiamo il resto dell'ambiente consumando energia per raffreddare il frigorifero".

Un componente principale del condensatore negativo proposto da Vinokur e dai suoi colleghi prevede un riempimento in materiale ferroelettrico, che è simile a un magnete tranne per il fatto che ha una polarizzazione elettrica interna, piuttosto che un orientamento magnetico.

"In una nanoparticella ferroelettrica, su una superficie avrai una carica positiva, e sull'altra superficie avrai cariche negative, " Ha detto Vinokur. "Questo crea campi elettrici che cercano di depolarizzare il materiale".

Dividendo una nanoparticella in due domini ferroelettrici uguali di polarizzazione opposta, separato da un confine chiamato muro di dominio, Vinokur ei suoi colleghi sono stati in grado di ridurre al minimo l'effetto del campo elettrico depolarizzante totale. Quindi, aggiungendo carica a uno dei domini ferroelettrici, i ricercatori hanno spostato la posizione del muro di dominio tra di loro.

A causa della natura cilindrica della nanoparticella, il muro del dominio iniziò a rimpicciolirsi, facendolo spostare oltre il nuovo punto di equilibrio elettrico. "Essenzialmente, puoi pensare al muro del dominio come una molla completamente estesa, " disse Lukyanchuk. "Quando il muro del dominio si sposta da un lato a causa dello squilibrio di carica, la primavera si rilassa, e l'energia elastica rilasciata lo spinge più lontano del previsto. Questo effetto crea la capacità statica negativa."

Un articolo basato sullo studio, "Sfruttando i domini ferroelettrici per la capacità negativa, " apparso nell'edizione online del 26 febbraio di Communications Physics. Gli autori dello studio includono anche Anaïs Sené dell'Università della Picardie, e Yuri Tikhonov e Anna Razumnaya della Southern Federal University (Russia).