Jakiś czas temu publikacja Communications Physics opublikowała artykuł naukowy „Wykorzystywanie domen ferroelektrycznych do ujemnej pojemności” autorstwa rosyjskich fizyków z Południowego Uniwersytetu Federalnego (Rostów nad Donem) Jurija Tichonowa i Anny Razumnej, fizyków z francuskiego Uniwersytetu im. Julesa Verne Picardy Igor Lukyanchuk i Anais Sen, a także materiałoznawca z Argonne National Laboratory Valery Vinokur. Artykuł opowiada o stworzeniu „niemożliwego” kondensatora z ładunkiem ujemnym, który przewidziano dziesiątki lat temu, ale dopiero teraz został wprowadzony w życie.
Rozwój zapowiada zrewolucjonizowanie obwodów elektronicznych urządzeń półprzewodnikowych. Para „ujemnego” i konwencjonalnego dodatnio naładowanego kondensatora, połączonych szeregowo, podnosi poziom napięcia wejściowego w danym punkcie powyżej wartości nominalnej do poziomu niezbędnego do pracy określonych odcinków obwodów elektronicznych. Innymi słowy, procesor może być zasilany stosunkowo niskim napięciem, ale te sekcje obwodów (bloków), które wymagają zwiększonej wartości napięcia do działania, otrzymają kontrolowany zasilacz o zwiększonym napięciu za pomocą par „ujemnych” i konwencjonalnych kondensatorów. To obiecuje poprawę wydajności energetycznej obwodów obliczeniowych i nie tylko.
Przed tą realizacją kondensatorów ujemnych podobny efekt osiągnięto przez krótki czas i tylko w specjalnych warunkach. Rosyjscy naukowcy wraz z kolegami ze Stanów Zjednoczonych i Francji opracowali stabilną i prostą konstrukcję kondensatora ujemnego, odpowiednią do masowej produkcji i normalnej pracy.
Struktura ujemnego kondensatora opracowana przez fizyków składa się z dwóch oddzielnych obszarów, z których każdy zawiera nanocząstki ferroelektryka o ładunku o tej samej biegunowości (w literaturze radzieckiej nazywano je ferroelektrykami). W stanie normalnym ferroelektryki mają ładunek neutralny, który występuje z powodu przypadkowo zorientowanych domen w materiale. Naukowcom udało się rozpuścić nanocząstki o tym samym ładunku w dwóch oddzielnych obszarach fizycznych kondensatora - każdy w swoim własnym regionie.
Na warunkowej granicy między dwoma różnymi regionami polarnymi natychmiast pojawiła się tak zwana ściana domenowa, obszar odwróconej polaryzacji. Okazało się, że ścianę domeny można przesunąć, jeśli do jednego z obszarów konstrukcji zostanie przyłożone napięcie. Przemieszczenie ściany domeny w jednym kierunku stało się równoznaczne z nagromadzeniem ujemnego ładunku. Co więcej, im bardziej kondensator jest naładowany, tym niższe jest napięcie na jego płytach. Tak nie jest w przypadku konwencjonalnych kondensatorów. Zwiększenie ładunku prowadzi do wzrostu napięcia na płytach. Ponieważ kondensatory ujemne i zwykłe są połączone szeregowo, procesy nie naruszają prawa zachowania energii, ale prowadzą do pojawienia się ciekawego zjawiska w postaci zwiększenia napięcia zasilania w niezbędnych punktach obwodu elektronicznego. Ciekawe, jak te efekty zostaną zaimplementowane w układach elektronicznych.
Autor: Gennady Detinich