(Phys.org) —Un artículo publicado hoy por la revista Materiales de la naturaleza describe la primera observación directa de un fenómeno de larga hipótesis pero esquivo llamado "capacitancia negativa". El trabajo describe una reacción única de carga eléctrica al voltaje aplicado en un material ferroeléctrico que podría abrir la puerta a una reducción radical en la potencia consumida por los transistores y los dispositivos que los contienen.

La capacitancia es la capacidad de un material para almacenar una carga eléctrica. Los condensadores ordinarios, que se encuentran en prácticamente todos los dispositivos electrónicos, almacenan carga a medida que se les aplica voltaje. El nuevo fenómeno tiene una respuesta paradójica:cuando se aumenta el voltaje aplicado, la carga baja. De ahí su nombre, capacitancia negativa.

"Esta propiedad, si se integra con éxito en transistores, podría reducir la cantidad de energía que consumen en al menos un orden de magnitud, y quizás mucho más, ", dice el autor principal del artículo, Asif Khan. Eso daría lugar a baterías de teléfonos móviles de mayor duración, computadoras que consumen menos energía de todo tipo, y, quizás aún más importante, podría extender por décadas la tendencia hacia una procesadores más pequeños que ha definido la revolución digital desde su nacimiento.

Sin un gran avance de este tipo, la tendencia hacia la miniaturización y el aumento de la función se ve amenazada por las demandas físicas de los transistores que operan a escala nanométrica. Aunque los diminutos interruptores se pueden hacer cada vez más pequeños, la cantidad de energía que necesitan para encenderse y apagarse solo puede reducirse hasta cierto punto. Ese límite está definido por lo que se conoce como distribución de electrones de Boltzmann, a menudo llamada tiranía de Boltzmann. Debido a que deben ser alimentados con una cantidad irreducible de electricidad, Los transistores ultrapequeños que están empaquetados demasiado apretados no pueden disipar el calor que generan para evitar la autoinmolación.

En otra década más o menos, Los ingenieros agotarán las opciones para empaquetar más potencia de cómputo en espacios cada vez más pequeños, una consecuencia vista con pavor por los fabricantes de dispositivos, desarrolladores de sensores, y un público adicto a dispositivos cada vez más pequeños y potentes.

La nueva investigación, realizado en UC Berkeley bajo el liderazgo del investigador de CITRIS y profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación Sayeef Salahuddin, proporciona una forma posible de superar la tiranía de Boltzmann. Se basa en la capacidad de ciertos materiales para almacenar energía intrínsecamente y luego explotarla para amplificar el voltaje de entrada. Esto podría, en efecto, potencialmente "engañar" a un transistor para que piense que ha recibido la cantidad mínima de voltaje necesaria para operar. El resultado:se necesita menos electricidad para encender o apagar un transistor, que es la operación universal en el centro de todo procesamiento informático.

El material utilizado para lograr la capacitancia negativa pertenece a una clase de materiales cristalinos llamados ferroeléctricos, que se describió por primera vez en la década de 1940. Estos materiales se han investigado durante mucho tiempo para aplicaciones de memoria y tecnologías de almacenamiento comercial. Los ferroeléctricos también son materiales populares para circuitos de control de frecuencia y muchas aplicaciones de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Sin embargo, La posibilidad de utilizar estos materiales para transistores energéticamente eficientes fue propuesta por primera vez por Salahuddin en 2008, justo antes de incorporarse a Berkeley como profesor asistente.

Durante los últimos seis años, Khan, uno de los primeros estudiantes graduados de Salahuddin en Berkeley, ha utilizado láseres de pulso para cultivar muchos tipos de materiales ferroeléctricos y ha ideado y revisado formas ingeniosas de probar su capacitancia negativa.

Además de transformar la forma en que funcionan los transistores, La capacitancia negativa también podría usarse para desarrollar dispositivos de almacenamiento de memoria de alta densidad, supercondensadores, osciladores y resonadores sin bobina, y para recolectar energía del medio ambiente.

La explotación de la capacitancia negativa de los ferroeléctricos es una de una lista de estrategias para reducir el costo por joule de almacenar un solo bit de información, dice el profesor de ciencia de materiales de UC Berkeley, Ingenieria, y física Ramamoorthy Ramesh, otro de los autores del artículo. Las décadas de trabajo fundamental de Ramesh en materiales ferroeléctricos y estructuras de dispositivos para manipularlos subyacen a los hallazgos del grupo.

"Acabamos de lanzar un programa llamado programa attojoule-per-bit. Es un esfuerzo por reducir la energía total consumida para manipular un bit a un attojoule (10-18), ", dice Ramesh. Para lograr ese tipo de consumo de energía por bit, necesitamos aprovechar todas las vías posibles. La capacitancia negativa de los ferroeléctricos va a ser muy importante, " él dice.

Este trabajo fue posible gracias al acceso al Laboratorio de Nanofabricación Marvell de CITRIS, un centro de investigación en el campus de UC Berkeley que fomenta específicamente la exploración de nuevos materiales y procesos. Uno de los laboratorios académicos de nanofabricación más avanzados de su tipo en el mundo, NanoLab es el lugar de nacimiento de otras tecnologías revolucionarias, como el transistor FinFET tridimensional que ha abierto el camino para escalar mucho más allá de los límites de los transistores ordinarios. "Hoy dia, "dice el profesor Ming Wu, Director de la facultad de Marvell NanoLab, "Cada transistor construido para microprocesadores o computadoras de próxima generación es FinFET".

"Marvell NanoLab de CITRIS tiene equipos de última generación para fabricar dispositivos semiconductores y circuitos integrados, ", dice Wu." Pero tomamos estas herramientas y capacidades y las aplicamos a materiales que son tan nuevos que los laboratorios de fabricación de la industria no los tocarían. Los nuevos materiales como estos ferroeléctricos de capacitancia negativa no solo son bienvenidos aquí, se les anima activamente ".

"El siguiente paso, "dice Salahuddin, "es intentar fabricar transistores reales de modo que puedan explotar el nuevo fenómeno, Necesitamos asegurarnos de que sean compatibles con el procesamiento de silicio, que son fabricables, y que las técnicas de medición que ahora hemos probado en principio son prácticas y escalables ".