Por primera vez, un equipo internacional de investigadores tomó imágenes del estado microscópico de capacitancia negativa. Este resultado novedoso proporciona a los investigadores información fundamental, conocimiento atomístico de la física de la capacitancia negativa, lo que podría tener consecuencias de gran alcance para la electrónica energéticamente eficiente.

El equipo, dirigido por científicos de la Universidad de California, Berkeley, describe sus resultados en un artículo publicado en la edición del 14 de enero de Naturaleza .

Los condensadores son dispositivos simples que pueden almacenar una carga eléctrica. Su capacitancia, o capacidad para almacenar energía eléctrica, está determinada por cuánto cambia la carga del capacitor cuando está conectado a una fuente de voltaje, como una batería. La capacitancia negativa ocurre cuando un cambio en la carga hace que el voltaje neto a través de un material cambie en la dirección opuesta; de modo que una disminución de voltaje conduce a un aumento de carga.

"El resultado es que la relación opuesta entre carga y voltaje podría mejorar localmente el voltaje a través del material dieléctrico común, "dijo Sayeef Salahuddin, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, quién dirigió el esfuerzo general. "La 'amplificación' de voltaje obtenida podría usarse para reducir el requisito de voltaje de suministro en un transistor, haciendo así que las computadoras y otros dispositivos electrónicos sean más eficientes desde el punto de vista energético ".

A medida que dependemos cada vez más de las computadoras para las tareas diarias, la energía necesaria para hacer funcionar estos sistemas se está volviendo sustancial. Los estudios muestran que el consumo total de electricidad de los centros de datos del mundo equivale al 10 por ciento de toda la electricidad utilizada en los Estados Unidos. "Aquí es donde un nuevo fenómeno físico como la capacitancia negativa podría proporcionar un conjunto de herramientas completamente nuevo para mejorar la eficiencia energética de nuestras computadoras, "dijo Salahuddin.

En 2008, Salahuddin predijo teóricamente que el estado de capacitancia negativa se puede estabilizar localmente en un material ferroeléctrico colocándolo junto con otro dieléctrico común, o material aislante. Pero hasta hace poco este fenómeno solo pudo detectarse indirectamente.

El trabajo en este artículo capturó directamente la capacitancia negativa en una superrejilla atómicamente perfecta de heteroestructura ferroeléctrica-dieléctrica, sintetizado por el grupo de Ramamoorthy Ramesh, profesor de física y de ciencia e ingeniería de materiales. Utilizando técnicas de imagen de última generación, los investigadores mapearon la polarización y el campo eléctrico con resolución atómica. Esto les permitió estimar la densidad de energía local, que mostró claramente regiones donde la curvatura de la densidad de energía es negativa, indicando la estabilización de la capacitancia negativa en estado estable.

También se obtuvieron los mismos resultados a partir de técnicas de modelado de última generación. Salahuddin señala que la confluencia de la observación experimental y el cálculo teórico proporciona una validación concreta del concepto de capacitancia negativa, así como una imagen atomística de un material en este estado.

“Creemos que la visión microscópica de la capacitancia negativa obtenida en este trabajo permitirá a los investigadores diseñar transistores de alta eficiencia energética que puedan explotar la capacitancia negativa de la manera más óptima, "dijo Salahuddin." La implicación de nuestro trabajo, sin embargo, va mucho más allá de los transistores. La capacitancia negativa podría encontrar uso en baterías, supercondensadores y aplicaciones electromagnéticas no convencionales ".