Dresdener Wissenschaftler wiesen eine grundlegende Theorie zu ferroelektrischen Materialien nach, wodurch zukünftige Elektronik deutlich effizienter werden könnte. Damit bestätigten sie erstmals die in der Materialforschung bekannte und umstrittene Landau-Theorie. Die Theorie wurde bereits in den 1940ern publiziert und besagt, dass auf die Zunahme der elektrischen Ladung eine Abnahme der Spannung folgen kann. Das entspricht ziemlich genau dem Gegenteil einer normalen Kapazität. In Expertenkreise wurde die Annahme bisher immer hitzig diskutiert.

Nun zeigten Wissenschaftler des Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLab gGmbH) mit Unterstützung von Kollegen der Technischen Universität Dresden und des National Institute of Materials Physics in Rumänien, dass dünne Schichten aus ferroelektrischem Hafnium-Zirkonoxid die Eigenschaft einer „negativen Kapazität“ aufweisen. Das bedeutet: Solche Materialen können eine elektrische Spannung verstärken. Diese Eigenschaft könnte verwendet werden, um die Verlustleistung zukünftiger elektronischer Schaltungen über die bisher bekannten Grenzen hinaus zu verringern. Obwohl dieses Verhalten schon vor über 70 Jahren vorhergesagt wurde, hielten die meisten Forscher den experimentellen Nachweis bisher für unmöglich. Da die verwendeten Materialien schon heute in jedem modernen Computerchip eingesetzt werden, könnte diese Entdeckung schon bald zur Anwendung in realen Produkten, wie z.B. effizienteren Smartphones oder Computern kommen.

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Foto ©Raluca Negrea: a) Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme des Probenquerschnitts mit einer Vergrößerung der Hafnium-Zirkonoxid-Schicht (HZO). b) Vergleich des Experiments mit der Landau-Theorie. Die Abnahme des elektrischen Feldes bei gleichzeitiger Zunahme der Polarisationsladung entspricht einer negativen Kapazität.