憑借一點物理學(xué)上的獨創(chuàng)性，科學(xué)家們設(shè)計出了一種小規(guī)模重新分配電力的方法，這可能為研究更節(jié)能的計算開辟新的道路。在一項新的研究中，美國能源部阿貢國家實驗室(DOE)的研究人員與法國和俄羅斯合作者一起，創(chuàng)造了一種永久性靜態(tài)“負電容器”，這種裝置被認為在大約十年前就違反了物理定律。雖然之前提出的負極電容設(shè)計工作在一個臨時，瞬態(tài)的基礎(chǔ)上，阿爾貢開發(fā)的新負極電容概念工作作為一個穩(wěn)態(tài)，可逆的設(shè)備。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過串聯(lián)一個負電容和一個正電容，可以局部增加正電容上的電壓，使其高于系統(tǒng)總電壓。

博科園：這樣一來，就可以在整個電路以較低電壓運行的同時，將電力分配到需要較高電壓的電路區(qū)域。該研究的通訊作者、阿貢材料科學(xué)家瓦萊里維諾庫(Valerii Vinokur)說：我們的目標(biāo)是在一個受控、靜態(tài)的環(huán)境中盡可能少地使用電力，同時在需要的地方獲得電力。在傳統(tǒng)電容器中，電容器的電壓與儲存電荷成正比，增加儲存的電荷量就會增加電壓。

在負電容中，情況正好相反——增加電荷量會降低電壓。因為負電容是較大電路的一部分，這并不違反能量守恒定律。這篇論文的第一作者、法國皮卡迪大學(xué)的科學(xué)家伊戈爾·盧基揚楚克說：你可以把它想象成一個冰箱。

當(dāng)電荷加到電容器的一側(cè)(c)時，電容器的疇壁(a-c和b-d)的運動。由此引起的疇壁再分布產(chǎn)生負電容效應(yīng)。圖片：Argonne National Laboratory

當(dāng)然，冰箱內(nèi)部的溫度要比外部環(huán)境低得多，但這是因為我們通過消耗能量來冷卻冰箱來加熱環(huán)境的其他部分。維諾庫和同事們提出的負電容一個主要組成部分是由鐵電材料制成的填充體，它類似于磁鐵，只是它有內(nèi)部的電極化，而不是磁定向。在鐵電納米顆粒中，一個表面帶正電荷，另一個表面帶負電荷，這會產(chǎn)生電場，試圖使材料去極化。通過將一個納米粒子分裂成兩個具有相反極化的相等鐵電疇，并由一個稱為疇壁的邊界隔開，研究人員將總?cè)O化電場的影響降到最低。

這幅圖顯示了負電容的作用，在圖像頂部的鐵電層中，核心區(qū)域的能量高于其他區(qū)域，這就是局部介電常數(shù)為負的地方。圖片：Pablo Garcia Fernandez & Javier Junquera, Universidad de Cantabria

然后，通過向其中一個鐵電疇中添加電荷，改變了它們之間疇壁的位置。由于納米粒子的圓柱形性質(zhì)，疇壁開始收縮，使其位移超過新的電平衡點。本質(zhì)上，可以把域壁想象成一個完全擴展的彈簧。當(dāng)疇壁由于電荷不平衡而向一側(cè)位移時，彈簧就會放松，釋放出來的彈性能就會比預(yù)期的推動得更遠，這種效應(yīng)產(chǎn)生了靜態(tài)負電容。其研究成果發(fā)表在《通信物理學(xué)》上，這項研究的作者還包括Picardie大學(xué)的Anais Sene，以及俄羅斯南部聯(lián)邦大學(xué)的Yuri Tikhonov和Anna Razumnaya。

博科園｜研究/來自: 阿貢國家實驗室

參考期刊《Communications Physics》

DOI: 10.1038/s42005-019-0121-0

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