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​El consumo total de energía consumido en los centros de datos del mundo es equivalente al 10 por ciento de toda la electricidad utilizada en los Estados Unidos, según señalan los responsables del artículo "Spatially resolved steady-state negative capacitance", publicado en Nature esta semana. 

En este trabajo se observa un nuevo fenómeno físico, denominado capacidad negativa, "que podría proporcionar un conjunto de herramientas completamente nuevo para mejorar la eficiencia energética de nuestras computadoras", según explica Sayeef Salahuddin, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de UC Berkeley, quien ha dirigido el trabajo.

Se trata de la primera vez que se toma una imagen del estado microscópico de la capacidad negativa, lo que podría tener consecuencias de gran alcance para la electrónica de bajo consumo.

El equipo de investigación que ha obtenido el resultado ha estado dirigido por investigadores de la Universidad de California en Berkeley, e incluye a Javier Junquera y Pablo García-Fernández, del grupo de investigación de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Cantabria y a científicos de la Universidad Estatal de Pennsylvania, la Universidad de Cornell, el Instituto de Tecnología de Georgia, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Condensadores y carga eléctrica

Un condensador, explica Javier Junquera, "es un dispositivo básico que se encuentra dentro de los transistores que, grosso modo, son pequeños interruptores que están dentro de los dispositivos electrónicos que utilizamos. Un transistor es un pequeño interruptor que tiene dos posiciones: encendido y apagado. Cada vez que accionamos el interruptor,  el transistor disipa una pequeña cantidad de energía. En los dispositivos electrónicos actuales, en un área dada de la placa madre, tenemos una cantidad ingente de transistores. Toda la energía disipada por el conjunto es enorme y podría llegar a fundir el dispositivo o a quemarnos literalmente".

Es por esto, señala el investigador de la UC, que el diseño de dispositivos electrónicos que disipen menos energía es uno de los problemas actuales de la industria y "es ahí donde nuestra investigación puede abrir nuevas vías, porque a partir del fenómeno de la capacidad negativa, deberíamos ser capaces de invertir ese efecto: a mayor carga, menor la diferencia de potencial entre las placas".

"Lo que hemos visto es que en condensadores formados por una súper-red de dos óxidos de metales de transición (en este caso, titanato de plomo y titanato de estroncio) podemos estabilizar zonas con capacidad negativa que lo que hacen es amplificar la cantidad de corriente que circula por el "interruptor" (el transistor) sin tener que aplicar voltajes muy grandes entre los extremos del mismo. Es el propio dispositivo el que se encarga de amplificar la diferencia de potencial que está viendo por dentro el dispositivo".

Es aprovechando estas cualidades, como "podríamos llegar a una reducción enorme en la cantidad de energía disipada por cada uno de estos transistores en el fenómeno entre encendido y apagado", concluye Junquera.

De la observación experimental al cálculo teórico

En 2008, Salahuddin predijo teóricamente que el estado de capacidad negativa se puede estabilizar localmente en un material ferroeléctrico colocándolo junto con otro material dieléctrico o aislante común. Pero, hasta hace poco, este fenómeno solo podía detectarse indirectamente.

La confluencia de la observación experimental, desarrollada en las universidades estadounidenses, y el cálculo teórico, a través de técnicas de simulación pioneras y aplicadas en la UC, ha proporcionado una validación concreta del concepto de capacidad negativa, así como una imagen atómica de un material en este estado.

Según Pablo García-Fernández, "este efecto de la capacidad negativa hasta ahora se había medido en un bloque de material, pero nuestros materiales son complejos, están formados por diferentes capas con propiedades distintas dependiendo de la zona en la que nos encontremos. De ahí que, "si queremos utilizar los efectos de la capacidad negativa, necesitamos comprender cómo se generan y, en particular, visualizar en qué punto del material y de qué forma se crea este efecto. Este problema es muy complejo porque estamos hablando de sistemas que tienen tamaños muy pequeños, nanómetros, es decir, mil millonésima parte de metro", afirma el investigador.

García-Fernández recuerda que los métodos de simulación "que hemos desarrollado, únicos en el mundo, nos permiten tratar a escala atómica estructuras muy grandes para los métodos usuales de simulación".

"La combinación de las medidas experimentales con las predicciones teóricas, de modo que se puedan contrastar los datos y los cálculos se vayan guiando mutuamente, es lo que nos ha permitido encontrar cuál es el origen de esta capacidad negativa. Así, y una vez que conoces dónde está esa capacidad negativa, cómo se produce, lo que puedes hacer es ir al siguiente nivel para conseguir aplicaciones prácticas de estos efectos y que puedan tener aplicaciones en la electrónica", apunta Pablo García-Fernández.

"Creemos que la visión microscópica de la capacidad negativa obtenida en este trabajo permitirá a los investigadores diseñar transistores altamente eficientes energéticamente que puedan explotar este fenómeno de la manera más óptima", adelanta Salahuddin que añade que "la implicación de nuestro trabajo, sin embargo, va más allá de los transistores. La capacidad negativa podría ser útil en baterías, supercondensadores y aplicaciones electromagnéticas no convencionales ".

Enlace al artículo: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0855-y

Foto: La imagen muestra la capacidad negativa en acción. Dentro de la capa ferroeléctrica en la parte superior de la imagen, la región central tiene una energía más alta que otras regiones.