p (Phys.org) —Um artigo publicado hoje pela revista Materiais da Natureza descreve a primeira observação direta de um fenômeno de longa hipótese, mas indescritível, denominado "capacitância negativa". O trabalho descreve uma reação única de carga elétrica à voltagem aplicada em um material ferroelétrico que poderia abrir a porta para uma redução radical na energia consumida pelos transistores e os dispositivos que os contêm. p Capacitância é a capacidade de um material de armazenar uma carga elétrica. Capacitores comuns - encontrados em praticamente todos os dispositivos eletrônicos - armazenam carga quando uma tensão é aplicada a eles. O novo fenômeno tem uma resposta paradoxal:quando a voltagem aplicada é aumentada, a carga diminui. Daí seu nome, capacitância negativa.

p "Está Propriedade, se integrado com sucesso em transistores, poderia reduzir a quantidade de energia que consomem em pelo menos uma ordem de magnitude, e talvez muito mais, "diz o principal autor do jornal, Asif Khan. Isso levaria a baterias de telefones celulares de longa duração, computadores que consomem menos energia de todos os tipos, e, talvez ainda mais importante, poderia estender por décadas a tendência de mais rapidez, processadores menores que definiram a revolução digital desde seu nascimento.

p Sem um grande avanço desse tipo, a tendência de miniaturização e aumento da função é ameaçada pelas demandas físicas de transistores operando em escala nano. Mesmo que os pequenos interruptores possam ser cada vez menores, a quantidade de energia de que precisam para ser ligados e desligados pode ser reduzida apenas até certo ponto. Esse limite é definido pelo que é conhecido como distribuição de elétrons de Boltzmann - freqüentemente chamada de Tirania de Boltzmann. Porque eles devem ser alimentados com uma quantidade irredutível de eletricidade, transistores ultrapequenos que são compactados com muita força não conseguem dissipar o calor que geram para evitar a auto-imolação.

p Em mais uma década ou mais, os engenheiros vão esgotar as opções para colocar mais poder de computação em espaços cada vez mais minúsculos, uma consequência vista com pavor pelos fabricantes de dispositivos, desenvolvedores de sensores, e um público viciado em aparelhos cada vez menores e mais potentes.

p A nova pesquisa, conduzido na UC Berkeley sob a liderança do pesquisador CITRIS e professor associado de engenharia elétrica e ciências da computação Sayeef Salahuddin, fornece uma maneira possível de superar a tirania Boltzmann. Ele depende da capacidade de certos materiais de armazenar energia intrinsecamente e, em seguida, explorá-la para amplificar a tensão de entrada. Isso poderia, na verdade, potencialmente "enganar" um transistor fazendo-o pensar que recebeu a quantidade mínima de voltagem necessária para operar. Resultado:menos eletricidade é necessária para ligar ou desligar um transistor, que é a operação universal no centro de todo o processamento do computador.

p O material usado para atingir capacitância negativa se enquadra em uma classe de materiais cristalinos chamados ferroelétricos, que foi descrito pela primeira vez na década de 1940. Esses materiais são pesquisados ​​há muito tempo para aplicações de memória e tecnologias de armazenamento comercial. Ferroelétricos também são materiais populares para circuitos de controle de frequência e muitas aplicações de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Contudo, a possibilidade de usar esses materiais para transistores eficientes em energia foi proposta pela primeira vez por Salahuddin em 2008, pouco antes de ingressar em Berkeley como professor assistente.

p Nos últimos seis anos, Khan - um dos primeiros alunos de graduação de Salahuddin em Berkeley - usou lasers de pulso para cultivar muitos tipos de materiais ferroelétricos e concebeu e revisou maneiras engenhosas de testar sua capacitância negativa.

p Além de transformar a maneira como os transistores funcionam, capacitância negativa também pode ser potencialmente usada para desenvolver dispositivos de armazenamento de memória de alta densidade, super capacitores, osciladores e ressonadores sem bobina, e para coletar energia do meio ambiente.

p Explorar a capacitância negativa de ferroelétricos é uma em uma lista de estratégias para reduzir o custo por joule de armazenamento de um único bit de informação, diz o professor de ciência dos materiais da UC Berkeley, Engenharia, e a física Ramamoorthy Ramesh, outro dos autores do artigo. As décadas de trabalho seminal de Ramesh em materiais ferroelétricos e estruturas de dispositivos para manipulá-los fundamentam as descobertas do grupo.

p “Acabamos de lançar um programa chamado programa attojoule-por-bit. É um esforço para reduzir a energia total consumida para manipular um bit para um attojoule (10-18), "diz Ramesh. Para atingir esse tipo de consumo de energia por bit, precisamos tirar proveito de todos os caminhos possíveis. A capacitância negativa dos ferroelétricos vai ser muito importante, " ele diz.

p Este trabalho foi possibilitado pelo acesso ao Laboratório de Nanofabricação da Marvell do CITRIS, um centro de pesquisa no campus da UC Berkeley que incentiva especificamente a exploração de novos materiais e processos. Um dos laboratórios de nanofabricação acadêmica mais avançados de seu tipo no mundo, o NanoLab é o berço de outras tecnologias revolucionárias, como o transistor FinFET tridimensional, que abriu caminho para uma escala muito além dos limites dos transistores comuns. "Hoje, "diz o professor Ming Wu, Diretor do corpo docente da Marvell NanoLab, "cada transistor construído para microprocessadores ou computadores da próxima geração é FinFET."

p "O Marvell NanoLab da CITRIS possui equipamentos de última geração para a fabricação de dispositivos semicondutores e circuitos integrados, "diz Wu." Mas pegamos essas ferramentas e recursos e os aplicamos a materiais que são tão novos que os laboratórios de fabricação da indústria não os tocariam. Novos materiais como esses ferroelétricos de capacitância negativa não são apenas bem-vindos aqui, eles são ativamente encorajados. "

p "O próximo passo, "diz Salahuddin, "é tentar fazer transistores reais de forma que possam explorar o novo fenômeno, Precisamos ter certeza de que eles são compatíveis com o processamento de silício, que eles são fabricáveis, e que as técnicas de medição que agora provamos em princípio são práticas e escaláveis. "