Una vía revolucionaria para reducir el gasto energético de los ordenadores

Los centros de proceso de datos del mundo consumen tanta energía como países enteros. Por ese motivo, el artículo ‘Spatially resolved steady-state negative capacitance’, de la revista Nature, en el que han participado miembros de la Universidad de Cantabria, levanta muchas expectativas. Ellos han conseguido observar un fenómeno físico, denominado capacidad negativa, y tomar su primera imagen de su estado microscópico, lo que puede tener consecuencias de gran alcance para el aparataje electrónico que manejamos, al minimizar su consumo energético.

El equipo de investigación que ha obtenido este resultado ha estado dirigido por Sayeef Salahuddin, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de 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.

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 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”.

Eso da lugar a que el diseño de dispositivos electrónicos que disipen menos energía sea uno de los retos 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 diferencia de potencial entre las placas”, dice.

“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 amplifican 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”.

Aprovechando estas cualidades, “podríamos llegar a una reducción enorme en la cantidad de energía disipada por cada uno de estos transistores entre encendido y apagado”, concluye Junquera.

De la observación 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 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, una mil millonésima parte de metro”, afirma el investigador.

García-Fernández recuerda que los métodos de simulación que han desarrollado, “únicos en el mundo, nos permiten tratar a escala atómica estructuras demasiado grandes para los métodos actuales”.

“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, puedes tratar de conseguir 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», 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».