Pela primeira vez, uma equipe internacional de pesquisadores fez imagens do estado microscópico da capacitância negativa. Este novo resultado fornece aos pesquisadores fundamentos, visão atomística da física da capacitância negativa, o que poderia ter consequências de longo alcance para a eletrônica eficiente em termos de energia.

O time, liderado por cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley, descreve seus resultados em um artigo publicado na edição de 14 de janeiro da Natureza .

Capacitores são dispositivos simples que podem armazenar uma carga elétrica. Sua capacitância, ou capacidade de armazenar energia elétrica, é determinado por quanto a carga do capacitor muda quando ele é conectado a uma fonte de tensão, como uma bateria. A capacitância negativa ocorre quando uma mudança na carga faz com que a tensão líquida em um material mude na direção oposta; de modo que uma diminuição na tensão leva a um aumento na carga.

"O resultado é que a relação oposta entre carga e voltagem poderia aumentar localmente a voltagem através do material dielétrico comum, "disse Sayeef Salahuddin, professor de engenharia elétrica e ciências da computação, que liderou o esforço geral. "A 'amplificação' de voltagem ganha poderia ser usada para reduzir o requisito de voltagem de alimentação em um transistor, tornando os computadores e outros dispositivos eletrônicos mais eficientes em termos de energia. "

À medida que dependemos cada vez mais dos computadores para as tarefas diárias, a energia necessária para operar esses sistemas está se tornando substancial. Estudos mostram que o consumo total de eletricidade pelos data centers mundiais é equivalente a 10% de toda a eletricidade usada nos Estados Unidos. "É aqui que um novo fenômeno físico, como a capacitância negativa, poderia fornecer um conjunto completamente novo de ferramentas para melhorar a eficiência energética de nossos computadores, "disse Salahuddin.

Em 2008, Salahuddin teoricamente previu que o estado de capacitância negativa pode ser estabilizado localmente em um material ferroelétrico, colocando-o junto com outro dielétrico comum, ou material isolante. Mas até recentemente, esse fenômeno só poderia ser detectado indiretamente.

O trabalho neste artigo capturou diretamente a capacitância negativa em uma super-rede atomicamente perfeita de heteroestrutura ferroelétrica-dielétrica, sintetizado pelo grupo de Ramamoorthy Ramesh, professor de física e de ciência dos materiais e engenharia. Usando técnicas de imagem de última geração, os pesquisadores mapearam a polarização e também o campo elétrico com resolução atômica. Isso lhes permitiu estimar a densidade de energia local, que mostrou claramente as regiões onde a curvatura da densidade de energia é negativa, indicando a estabilização da capacitância negativa em estado estacionário.

Os mesmos resultados também foram obtidos com técnicas de modelagem de última geração. Salahuddin observa que a confluência de observação experimental e cálculo teórico fornece uma validação concreta do conceito de capacitância negativa, bem como uma imagem atomística de um material neste estado.

"Acreditamos que a visão microscópica da capacitância negativa obtida neste trabalho permitirá aos pesquisadores projetar transistores de alta eficiência energética que podem explorar a capacitância negativa da maneira mais otimizada, "disse Salahuddin." A implicação do nosso trabalho, Contudo, vai muito além dos transistores. A capacitância negativa pode ser usada em baterias, supercapacitores e aplicações eletromagnéticas não convencionais. "