Pour la toute première fois, une équipe internationale de chercheurs a imagé l'état microscopique de la capacité négative. Ce nouveau résultat fournit aux chercheurs des informations fondamentales, aperçu atomistique de la physique de la capacité négative, ce qui pourrait avoir des conséquences de grande envergure pour l'électronique économe en énergie.

L'équipe, dirigé par des scientifiques de l'Université de Californie, Berkeley, décrit leurs résultats dans un article publié dans le numéro du 14 janvier de La nature .

Les condensateurs sont des dispositifs simples qui peuvent stocker une charge électrique. leur capacité, ou capacité à stocker de l'énergie électrique, est déterminé par combien la charge du condensateur change lorsqu'il est connecté à une source de tension, comme une batterie. Une capacité négative se produit lorsqu'un changement de charge fait que la tension nette aux bornes d'un matériau change dans la direction opposée ; de sorte qu'une diminution de la tension entraîne une augmentation de la charge.

« Le résultat est que la relation opposée entre la charge et la tension pourrait augmenter localement la tension aux bornes du matériau diélectrique commun, " dit Sayeef Salahuddin, professeur d'électrotechnique et d'informatique, qui a dirigé l'effort global. "La tension 'amplification' gagnée pourrait être utilisée pour réduire la tension d'alimentation requise dans un transistor, rendant ainsi les ordinateurs et autres appareils électroniques plus économes en énergie. »

Comme nous comptons de plus en plus sur les ordinateurs pour les tâches quotidiennes, l'énergie nécessaire au fonctionnement de ces systèmes devient substantielle. Des études montrent que la consommation totale d'électricité des centres de données du monde équivaut à 10 % de toute l'électricité utilisée aux États-Unis. "C'est là qu'un nouveau phénomène physique tel que la capacité négative pourrait fournir un tout nouvel ensemble d'outils pour améliorer l'efficacité énergétique de nos ordinateurs, " dit Salahuddin.

En 2008, Salahuddin a théoriquement prédit que l'état de capacité négative peut être stabilisé localement dans un matériau ferroélectrique en le plaçant avec un autre diélectrique commun, ou matériau isolant. Mais jusqu'à récemment, ce phénomène ne pouvait être détecté qu'indirectement.

Les travaux de cet article ont capturé directement la capacité négative dans un super-réseau atomiquement parfait d'hétérostructure ferroélectrique-diélectrique, synthétisé par le groupe de Ramamoorthy Ramesh, professeur de physique et de science et ingénierie des matériaux. Grâce à des techniques d'imagerie de pointe, les chercheurs ont cartographié la polarisation ainsi que le champ électrique avec une résolution atomique. Cela leur a permis d'estimer la densité d'énergie locale, qui a clairement montré des régions où la courbure de la densité d'énergie est négative, indiquant la stabilisation de la capacité négative en régime permanent.

Les mêmes résultats ont également été obtenus à partir de techniques de modélisation de pointe. Salahuddin note que la confluence de l'observation expérimentale et du calcul théorique fournit une validation concrète du concept de capacité négative ainsi qu'une image atomistique d'un matériau dans cet état.

"Nous pensons que la compréhension microscopique de la capacité négative obtenue dans ce travail permettra aux chercheurs de concevoir des transistors à haute efficacité énergétique qui peuvent exploiter la capacité négative de la manière la plus optimale, " dit Salahuddin. " L'implication de notre travail, cependant, va bien au-delà des transistors. La capacité négative pourrait trouver une utilisation dans les batteries, super condensateurs et applications électromagnétiques non conventionnelles."