有史以来第一次，一个国际研究小组对负电容的微观状态进行了成像。这一新颖的结果为研究人员提供了对负电容物理学基本的原子论洞察，这可能对节能电子产品产生深远的影响。由加州大学伯克利分校科学家领导的研究小组在2019年1月14日出版的《自然》上发表了一篇论文，描述了他们的研究结果。电容器是能储存电荷的简单装置，它们的电容，或储存电能的能力，是由连接到电压源(如电池)时电容器的电荷变化多少决定。
博科园-科学科普：负电容发生时，电荷的变化导致横跨材料净电压在相反的方向变化，所以电压的降低导致电荷增加。萨耶夫-萨拉赫丁(Sayeef Salahuddin)说：结果是，电荷和电压之间的相反关系可以在局部增强普通介质材料的电压，获得的电压‘放大’可用于降低晶体管的供电电压要求，从而使计算机和其他电子设备更加节能。随着人类越来越多地依赖电脑完成日常任务，运行这些系统所需的能量也越来越大。研究表明，全球数据中心的总用电量相当于美国总用电量的10%。
这幅图显示了负电容的作用，在图像顶部的铁电层中，核心区域的能量高于其他区域，这就是局部介电常数为负的地方。图片：Pablo Garcia Fernandez & Javier Junquera, Universidad de Cantabria
负电容等新的物理现象可以提供一套全新工具，提高电脑的能源效率。2008年Salahuddin从理论上预测，负电容的状态可以通过与另一种常见的介质或绝缘材料放在一起，在铁电材料中局部稳定。但直到最近，这种现象只能间接地检测到。本研究工作直接捕获了原子完美铁电-介电异质结构超晶格中的负电容，该超晶格是由物理和材料科学与工程教授Ramamoorthy Ramesh团队合成。利用最先进的成像技术，研究人员用原子分辨率绘制出了偏振和电场。
这使得他们能够估计局部的能量密度，这清楚地显示了能量密度的曲率为负的区域，表明稳态负电容的稳定性。同样的结果也来自于最先进的建模技术，Salahuddin指出，实验观测和理论计算的结合提供了负电容概念的具体验证，以及这种状态下材料的原子图像。研究人员相信，这项研究对负电容的微观观察将使研究人员能够设计出以最优方式利用负电容的高能效晶体管。然而研究的意义远远超出晶体管。负电容可应用于电池、超级电容器和非传统电磁领域。
博科园-科学科普｜研究/来自: 劳伦斯伯克利国家实验室
参考期刊文献:《自然》
DOI: 10.1038/s41586-018-0855-y
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