凭借一点物理学上的独创性，科学家们设计出了一种小规模重新分配电力的方法，这可能为研究更节能的计算开辟新的道路。在一项新的研究中，美国能源部阿贡国家实验室(DOE)的研究人员与法国和俄罗斯合作者一起，创造了一种永久性静态“负电容器”，这种装置被认为在大约十年前就违反了物理定律。虽然之前提出的负极电容设计工作在一个临时，瞬态的基础上，阿尔贡开发的新负极电容概念工作作为一个稳态，可逆的设备。研究人员发现，通过串联一个负电容和一个正电容，可以局部增加正电容上的电压，使其高于系统总电压。
博科园：这样一来，就可以在整个电路以较低电压运行的同时，将电力分配到需要较高电压的电路区域。该研究的通讯作者、阿贡材料科学家瓦莱里维诺库(Valerii Vinokur)说：我们的目标是在一个受控、静态的环境中尽可能少地使用电力，同时在需要的地方获得电力。在传统电容器中，电容器的电压与储存电荷成正比，增加储存的电荷量就会增加电压。
在负电容中，情况正好相反——增加电荷量会降低电压。因为负电容是较大电路的一部分，这并不违反能量守恒定律。这篇论文的第一作者、法国皮卡迪大学的科学家伊戈尔·卢基扬楚克说：你可以把它想象成一个冰箱。
当电荷加到电容器的一侧(c)时，电容器的畴壁(a-c和b-d)的运动。由此引起的畴壁再分布产生负电容效应。图片：Argonne National Laboratory
当然，冰箱内部的温度要比外部环境低得多，但这是因为我们通过消耗能量来冷却冰箱来加热环境的其他部分。维诺库和同事们提出的负电容一个主要组成部分是由铁电材料制成的填充体，它类似于磁铁，只是它有内部的电极化，而不是磁定向。在铁电纳米颗粒中，一个表面带正电荷，另一个表面带负电荷，这会产生电场，试图使材料去极化。通过将一个纳米粒子分裂成两个具有相反极化的相等铁电畴，并由一个称为畴壁的边界隔开，研究人员将总去极化电场的影响降到最低。
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
然后，通过向其中一个铁电畴中添加电荷，改变了它们之间畴壁的位置。由于纳米粒子的圆柱形性质，畴壁开始收缩，使其位移超过新的电平衡点。本质上，可以把域壁想象成一个完全扩展的弹簧。当畴壁由于电荷不平衡而向一侧位移时，弹簧就会放松，释放出来的弹性能就会比预期的推动得更远，这种效应产生了静态负电容。其研究成果发表在《通信物理学》上，这项研究的作者还包括Picardie大学的Anais Sene，以及俄罗斯南部联邦大学的Yuri Tikhonov和Anna Razumnaya。
博科园｜研究/来自: 阿贡国家实验室
参考期刊《Communications Physics》
DOI: 10.1038/s42005-019-0121-0
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