(Phys.org)—Un articolo pubblicato oggi dalla rivista Materiali della natura descrive la prima osservazione diretta di un fenomeno a lungo ipotizzato ma sfuggente chiamato "capacità negativa". Il lavoro descrive una reazione unica di carica elettrica alla tensione applicata in un materiale ferroelettrico che potrebbe aprire la porta a una radicale riduzione della potenza consumata dai transistor e dai dispositivi che li contengono.

La capacità è la capacità di un materiale di immagazzinare una carica elettrica. I condensatori ordinari, che si trovano praticamente in tutti i dispositivi elettronici, immagazzinano la carica quando viene loro applicata una tensione. Il nuovo fenomeno ha una risposta paradossale:quando la tensione applicata viene aumentata, la carica scende. Da qui il suo nome, capacità negativa.

"Questa proprietà, se integrato con successo nei transistor, potrebbero ridurre la quantità di energia che consumano di almeno un ordine di grandezza, e forse molto di più, ", afferma l'autore principale del giornale Asif Khan. Ciò porterebbe a batterie dei telefoni cellulari più durature, computer meno dispendiosi dal punto di vista energetico di tutti i tipi, e, forse ancora più importante, potrebbe prolungare di decenni la tendenza verso una più rapida, processori più piccoli che ha definito la rivoluzione digitale sin dalla sua nascita.

Senza un importante passo avanti di questo tipo, la tendenza verso la miniaturizzazione e l'aumento della funzionalità è minacciata dalle esigenze fisiche dei transistor che operano su scala nanometrica. Anche se i piccoli interruttori possono essere resi sempre più piccoli, la quantità di energia di cui hanno bisogno per essere accesi e spenti può essere ridotta solo fino a un certo punto. Tale limite è definito da quella che è nota come distribuzione di Boltzmann degli elettroni, spesso chiamata tirannia di Boltzmann. Perché devono essere alimentati con una quantità irriducibile di elettricità, transistor ultra-piccoli che sono imballati troppo strettamente non possono dissipare il calore che generano per evitare l'auto-immolazione.

In un altro decennio o giù di lì, gli ingegneri esauriranno le opzioni per impacchettare più potenza di calcolo in spazi sempre più piccoli, una conseguenza vista con timore dai produttori di dispositivi, sviluppatori di sensori, e un pubblico dedito a dispositivi sempre più piccoli e potenti.

La nuova ricerca, condotto all'Università di Berkeley sotto la guida del ricercatore CITRIS e professore associato di ingegneria elettrica e informatica Sayeef Salahuddin, fornisce un modo possibile per superare la tirannia di Boltzmann. Si basa sulla capacità di alcuni materiali di immagazzinare energia intrinsecamente per poi sfruttarla per amplificare la tensione di ingresso. Questo potrebbe, in effetti, potenzialmente "ingannare" un transistor facendogli credere di aver ricevuto la quantità minima di tensione necessaria per funzionare. Il risultato:è necessaria meno elettricità per accendere o spegnere un transistor, che è l'operazione universale al centro di tutta l'elaborazione informatica.

Il materiale utilizzato per ottenere la capacità negativa rientra in una classe di materiali cristallini chiamati ferroelettrici, che è stato descritto per la prima volta negli anni '40. Questi materiali sono stati a lungo ricercati per applicazioni di memoria e tecnologie di archiviazione commerciale. I ferroelettrici sono anche materiali popolari per i circuiti di controllo della frequenza e molte applicazioni di sistemi microelettromeccanici (MEMS). Però, la possibilità di utilizzare questi materiali per transistor ad alta efficienza energetica è stata proposta per la prima volta da Salahuddin nel 2008, proprio prima di entrare a Berkeley come assistente professore.

Negli ultimi sei anni, Khan, uno dei primi studenti laureati di Salahuddin a Berkeley, ha utilizzato laser a impulsi per coltivare molti tipi di materiali ferroelettrici e ha ideato e rivisto metodi ingegnosi per testare la loro capacità negativa.

Oltre a trasformare il modo in cui funzionano i transistor, la capacità negativa potrebbe anche essere potenzialmente utilizzata per sviluppare dispositivi di archiviazione di memoria ad alta densità, supercondensatori, oscillatori e risonatori senza bobina, e per la raccolta di energia dall'ambiente.

Sfruttare la capacità negativa dei ferroelettrici è una delle strategie per ridurre il costo per joule della memorizzazione di un singolo bit di informazioni, dice il professore di scienza dei materiali della UC Berkeley, ingegneria, e fisica Ramamoorthy Ramesh, un altro degli autori dell'articolo. I decenni di lavoro seminale di Ramesh sui materiali ferroelettrici e sulle strutture dei dispositivi per manipolarli sono alla base delle scoperte del gruppo.

"Abbiamo appena lanciato un programma chiamato programma attojoule-per-bit. È uno sforzo per ridurre l'energia totale consumata per manipolare un po' a un attojoule (10-18), " dice Ramesh. Per ottenere quel tipo di consumo di energia per bit, dobbiamo sfruttare tutte le possibili vie. La capacità negativa dei ferroelettrici sarà molto importante, " lui dice.

Questo lavoro è stato reso possibile dall'accesso al Marvell Nanofabrication Laboratory di CITRIS, una struttura di ricerca nel campus della UC Berkeley che incoraggia specificamente l'esplorazione di nuovi materiali e processi. Uno dei laboratori accademici di nanofabbricazione più avanzati del suo genere al mondo, il NanoLab è il luogo di nascita di altre tecnologie rivoluzionarie, come il transistor tridimensionale FinFET che ha aperto la strada al ridimensionamento ben oltre i limiti dei normali transistor. "Oggi, "dice il professor Ming Wu, Direttore della Facoltà Marvell NanoLab, "ogni singolo transistor costruito per microprocessori o computer di nuova generazione è FinFET".

"Marvell NanoLab di CITRIS dispone di apparecchiature all'avanguardia per la realizzazione di dispositivi a semiconduttore e circuiti integrati, " dice Wu. "Ma prendiamo questi strumenti e queste capacità e li applichiamo a materiali che sono così nuovi che i laboratori di fabbricazione del settore non li toccherebbero. Nuovi materiali come questi ferroelettrici a capacità negativa non sono solo i benvenuti qui, sono attivamente incoraggiati."

"Il prossimo passo, "dice Salahuddin, "è cercare di realizzare dei veri transistor in modo che possano sfruttare il nuovo fenomeno, Dobbiamo assicurarci che siano compatibili con la lavorazione del silicio, che sono fabbricabili, e che le tecniche di misurazione che ora abbiamo dimostrato in linea di principio sono pratiche e scalabili."