Физики из России выяснили, как создать конденсатор c отрицательной емкостью

МОСКВА, 9 апр — РИА Новости. Российские, французские и американские ученые разработали своеобразный антипод конденсатора, напряжение в котором падает, а не растет по мере накопления заряда. Оно поможет резко сократить аппетиты компьютеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Communications Physics.

«

"Эти устройства в чем-то похожи на холодильник. Внутри него температура заметно ниже, чем снаружи, однако это, конечно же, компенсируется тем, что мы нагреваем окружающее пространство, тратя энергию на охлаждение холодильной емкости", — объясняет Игорь Лукьянчук из университета Пикарди в Амьене (Франция).

Все современные электронные гаджеты построены не только на базе полупроводниковых транзисторов, но и бесчисленного множества конденсаторов. В самом упрощенном виде они представляют собой устройства, способные накапливать электрический заряд и избирательно проводить ток.

Сегодня они используются не только для фильтрации и улучшения качества электрических сигналов, но и как ключевые компоненты ячеек памяти компьютеров и постоянных запоминающих устройств. Так называемые суперконденсаторы, обладающие рекордно высокой плотностью запасания энергии, в будущем могут стать основой электроэнергетики.

Все конденсаторы работают схожим образом — они состоят из двух электродов, а также разделяющей их пустоты или диэлектрического материала. Если начать пропускать через них ток, то один из полюсов устройства приобретает положительный заряд, а второй — отрицательный в результате взаимодействий между электродами и формирования электрического поля внутри диэлектрика.

Долгое время ученые считали, что конденсаторы могут удерживать только положительный заряд. С практической точки зрения это выражается в том, что количество запасенной энергии внутри них растет при увеличении разницы в напряжении между их полюсами.

Почти полвека назад известный американский физик Рольф Ландауэр предположил и теоретически доказал, что возможно и обратное — напряжение на полюсах антиконденсатора будет падать, а не расти по мере накопления заряда. Подобное устройство позволит резко сократить аппетиты вычислительных машин и позволит защитить их от перегрева.

За последние годы ученые создали несколько устройств, обладающих подобными свойствами, однако все они, по словам российских и зарубежных ученых, могут быть антиконденсаторами только в определенных условиях и приобретают такие свойства на исчезающе малое время. Это не позволяет использовать их в качестве части электрических цепей или электронных схем.

Подобные неудачи, как отмечает Лукьянчук, в целом не вызывали удивления у ученых, так как они полностью совпадали с предсказаниями самого Ландауэра. Он считал, что полностью стабильный антиконденсатор будет почти невозможно создать на практике из-за особенностей в поведении тех материалов, где этот эффект может существовать.

Лукьянчук и его коллеги решили эту проблему, открыв необычный механизм, который позволяет подобному устройству сохранять свои свойства без помощи других процессов в окружающей среде.

Созданный ими антиконденсатор представляет собой набор из двух электродов и множества цилиндрических наночастиц, заточенных между ними. Эти структуры изготовлены из так называемых сегнетоэлектриков, веществ, в которых спонтанно возникают зоны с отрицательным и положительным зарядом благодаря неравномерному распределению электронов внутри них.

Изучая свойства этих материалов, ученые обратили внимание на то, что электрическое поле, вырабатываемое электродами конденсаторов, будет необычным образом влиять на поведение так называемой доменной стенки. Она представляет собой своеобразную границу между положительной и отрицательной половинами материала, при пересечении которой его электрические свойства резко меняются.

«

"В данном случае доменная стенка играет роль своеобразной растянутой пружины. Когда ее положение смещается в результате появления зарядового дисбаланса, она выпрямляется и высвобождает энергию упругой деформации. В результате этого она смещается дальше, чем мы ожидаем. Это и порождает отрицательную емкость", — продолжает Лукьянчук.

Как надеются ученые, подобные антиконденсаторы быстро проникнут в электронную промышленность, что поможет одновременно ускорить работу компьютеров и сделать их менее уязвимыми к перегреву благодаря тому, что теперь инженеры смогут резко снизить напряжение на транзисторах.