Pienellä fysiikkaan liittyvällä kekseliäisyydellä tutkijat ovat suunnitelleet keinon jakaa sähköä pienessä mittakaavassa, jolloin voidaan avata uusia tutkimusmahdollisuuksia energiatehokkaampaan tietojenkäsittelyyn. Argonne National Laboratoryn tutkijat yhdessä ranskalaisten ja venäläisten yhteistyökumppaneiden kanssa ovat luoneet pysyvän staattisen ”negatiivisen kondensaattorin”.

Tällaisen uskottiin olevan vastoin fysiikan lakeja vielä noin kymmenen vuotta sitten. Aiemmin ehdotetut negatiivisten kondensaattoreiden mallit toimivat transienttisesti, mutta Argonnessa nyt kehitetty negatiivinen kondensaattorikonsepti toimii vakaasti ja käänteisenä rakenteena.

Tutkijat havaitsivat, että yhdistämällä negatiivinen kondensaattori sarjassa positiivisen kondensaattorin kanssa he voisivat paikallisesti lisätä positiivisen kondensaattorin jännitettä pisteeseen, joka on suurempi kuin koko järjestelmän jännite. Tällä tavoin ne voisivat jakaa sähköä piirin alueille, jotka tarvitsevat suurempaa jännitettä, kun koko piiriä käytetään pienemmällä jännitteellä.

- Tavoitteena on saada sähkö sinne missä sitä tarvitaan, samalla kun käytät mahdollisimman vähän hallittua, staattista aluetta, toteaa tutkimuksen vastaava tekijä, Argonnen materiaalitutkija Valerii Vinokur.

Perinteisissä kondensaattoreissa jännite on verrannollinen niihin varattuun sähköiseen varaukseen. Negatiivisissa kondensaattoreissa tapahtuu päinvastainen eli varauksen määrän lisääminen pienentää jännitettä. Koska negatiivinen kondensaattori on osa suurempaa piiriä, tämä ei riko energian säilymisen periaatetta.

Vinokurin ja hänen työtovereidensa esittämän negatiivisen kondensaattorin ensisijainen komponentti sisältää ferrosähköisestä materiaalista valmistetun täytteen. Se on samanlainen kuin magneetti, paitsi että siinä on sisäinen sähköinen polarisaatio pikemminkin kuin magneettinen suunta.

- Ferrosähköisessä nanopartikkelissa, yhdellä pinnalla on positiivinen varaus, ja toisella pinnalla on negatiivisia varauksia. Tämä luo sähkökentän, joka yrittää depolarisoida materiaalin, Vinokur toteaa.

Jakamalla nanopartikkelit kahteen vastakkaisen polarisaation ferrosähköiseen alueeseen, jotka on erotettu seinämällä, tutkijat pystyivät minimoimaan depolarisoivan sähkökentän vaikutuksen. Lisäämällä varausta yhdelle ferrosähköisistä alueista, tutkijat siirsivät alueen seinämään niiden välissä.

Nanohiukkasten sylinterimäisen luonteen vuoksi alueen seinä alkoi kutistua, mikä johti siihen, että se syrjäytti uuden sähköisen tasapainopisteen. - Pohjimmiltaan voit ajatella alueseinämää täysin venyneenä jousena, Kun alueseinämä siirtyvät toiselle puolelle, johtuen varauksen epätasapainosta, jousi rentoutuu ja vapauttaa elastista energiaa työntää sitä pidemmälle kuin odotetaan. Tämä vaikutus luo staattisen negatiivisen kapasitanssin, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Veijo Hänninen
Nanobittejä 2.5.2019