Физики нашли первый пример вещества со свойствами сегнетоэлектрика, которое может демонстрировать отрицательную электрическую емкость. Возможность существования такого эффекта теоретически предсказал советский физик Лев Ландау около 70 лет назад, но ранее его экспериментальное наблюдение считалось практически невозможным.

Авторы называют результаты важными как для фундаментальной науки, так и для технологических приложений. Статья опубликована в журнале Nature.

Сегнетоэлектрики — это кристаллические вещества, для которых характерно спонтанное возникновение поляризации при некоторых температурах в отсутствие внешнего поля. Это явление аналогично ферромагнетизму. Открыты эти вещества были около 100 лет назад.

Впервые полноценное описание возникновения и разрушения полярной фазы в сегнетоэлектриках дал Лев Ландау через свою теорию фазовых переходов второго рода. Эта теория также предсказывала существование отрицательной емкости, но ранее ее никто не наблюдал в таких веществах. Сегодня явление сегнетоэлектричества нашло множество применений в электронике, нелинейной оптике, запоминающих устройствах, температурных датчиках и даже в области нейроморфных вычислений.

В новой работе ученые из Германии и Румынии доказали, что отрицательная емкость характерна для оксида гафния-циркония (Hf_0.5Zr_0.5O₂), причем она объясняется именно теорией Ландау. В простейшем случае емкость плоского конденсатора — это всегда положительный коэффициент между зарядом на обкладках и приложенным напряжением. То есть, чем больше приложено напряжение, тем больший заряд можно накопить в конденсаторе.

Если бы у конденсатора была отрицательная емкость, то заряд на нем увеличивался бы при уменьшении напряжения и убывал при его увеличении.

Теория Ландау предсказывала, что отрицательная емкость будет наблюдаться, если соответствующая данному сегнетоэлектрику термодинамическая свободная энергия Гельмгольца в зависимости от поляризации будет иметь два минимума. Именно эта характеристика и была измерена в новом эксперименте.

Сравнение результатов эксперимента с теорией Ландау / M Hoffmann/NaMLab

Авторы отмечают, что новое вещество может уже в ближайшем будущем найти применение, так как при помощи отрицательной емкости можно усиливать приложенный потенциал, тем самым уменьшая потери мощности до недоступного современной электроники уровня.

«Большинство сегнетоэлектриков очень трудно интегрировать в современные методы производства полупроводников, но Hf_0.5Zr_0.5O₂ уже используется в этих процессах, — поясняет ведущий авторы статьи Майкл Хоффманн из Лаборатории электроники наноматериалов (Германия). — Это значит, что продукты с использованием данного эффекта могут вскоре появиться. Другим достоинством Hf_0.5Zr_0.5O₂ является сохранение сегнетоэлектрических свойств даже при толщине пленок менее 10 нанометров, что важно для миниатюризации в будущем».