Forschung -

Neu entwickelter statischer negativer Kondensator

Mit ein wenig physikalischem Einfallsreichtum haben die Wissenschaftler eine Möglichkeit entwickelt, Strom in kleinem Maßstab umzuverteilen, was neue Forschungsansätze für energieeffizienteres Computing eröffnen könnte.

In einer neuen Studie haben Forscher des 'Argonne National Laboratory' zusammen mit Kollegen in Frankreich und Russland einen permanenten statischen "negativen Kondensator" entwickelt, von dem bis vor etwa einem Jahrzehnt angenommen wurde, dass er gegen physikalische Gesetze verstößt.

Während die bisher vorgeschlagenen Designs negativer Kondensatoren auf temporärer, transienter Basis arbeiteten, funktioniert das von Argonne entwickelte neue Negativkondensatorkonzept als ein stationäres, reversibles Element.

Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die Kopplung eines negativen Kondensators in Reihe mit einem positiven Kondensator die Spannung am positiven Kondensator lokal bis zu einem Punkt höher als die Gesamtsystemspannung anheben konnten.

Auf diese Weise könnten sie Strom auf Bereiche einer Schaltung verteilen, die eine höhere Spannung benötigen, während sich die gesamte Schaltung mit einer niedrigeren Spannung betreiben lässt.

In herkömmlichen Kondensatoren verhält sich die elektrische Spannung des Kondensators proportional zu der gespeicherten elektrischen Ladung - eine Erhöhung der gespeicherten Ladungsmenge erhöht die Spannung.

Bei negativen Kondensatoren geschieht das Gegenteil - eine Erhöhung der Ladungsmenge verringert die Spannung. Da der negative Kondensator Teil der größeren Schaltung ist, verstößt dies nicht gegen die Energieeinsparung.

"Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist mit einem Kühlschrank", sagte der Wissenschaftler Igor Lukyanchuk von der University of Picardie (Frankreich), der erste Autor der Forschungsarbeit.

"Im Inneren des Kühlschranks ist es natürlich viel kälter als Außen, aber das liegt daran, dass wir den Rest der Umgebung erwärmen, indem wir Energie aufwenden, um den Kühlschrank zu kühlen."

Eine Hauptkomponente des von den Forschern vorgeschlagenen negativen Kondensators ist eine Füllung aus einem ferroelektrischen Material, das einem Magneten ähnlich ist, mit dem Unterschied, dass es eine innere elektrische Polarisation und keine magnetische Ausrichtung aufweist.

"In einem ferroelektrischen Nanopartikel hat man auf einer Oberfläche eine positive Ladung und auf der anderen Oberfläche eine negative Ladung", sagte der Materialwissenschaftler Valerii Vinokur. "Das erzeugt elektrische Felder, die das Material zu depolarisieren versuchen."

Durch die Auftrennung eines Nanopartikels in zwei gleiche ferroelektrische Domänen entgegengesetzter Polarisation, getrennt durch eine Domänenwand, konnten Vinokur und seine Kollegen den Effekt des gesamten depolarisierenden elektrischen Feldes minimieren. Durch Hinzufügen von Ladung zu einer der ferroelektrischen Domänen verschoben die Forscher die Position der Domänenwand zwischen ihnen.

Aufgrund der zylindrischen Beschaffenheit des Nanopartikels begann die Domänenwand zu schrumpfen, sodass sie über den neuen elektrischen Gleichgewichtspunkt hinaus verschoben wurde.

"Im Wesentlichen kann man sich die Domänenwand wie eine vollständig ausgefahrene Feder vorstellen", sagte Lukyanchuk. "Wenn sich die Domänenwand durch das Ladungsungleichgewicht zur Seite verschiebt, entspannt sich die Feder und die freigesetzte elastische Energie treibt sie weiter voran als erwartet. Dieser Effekt erzeugt die statische negative Kapazität."

Ein auf der Studie basierender Bericht mit dem Titel "Harnessing ferroelectric domains for negative capacitance" erschien in "Communications Physics". Zu den Autoren der Studie gehören auch Anaïs Sené von der 'University of Picardie' sowie Yuri Tikhonov und Anna Razumnaya von der 'Southern Federal University' (Russland).

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