Memristors bereiken stabiele weerstandswaarden die verband houden met fundamentele natuurconstanten

Onderzoekers van het Forschungszentrum Jülich hebben samen met internationale medewerkers voor het eerst aangetoond dat memristors – nieuwe schakelapparaten op nanoschaal – stabiele weerstandswaarden kunnen bieden die rechtstreeks verband houden met fundamentele natuurconstanten. Dit maakt de weg vrij voor het veel eenvoudiger en directer traceren van elektrische eenheden zoals elektrische weerstand dan tot nu toe mogelijk was. De conventionele, op quantum gebaseerde meettechnologie is daarentegen zo veeleisend dat deze alleen in een paar gespecialiseerde laboratoria wereldwijd kan worden uitgevoerd.

Het papier is gepubliceerd in het journaal Natuur Nanotechnologie.

Sinds 2019 zijn alle basiseenheden van het Internationale Systeem van Eenheden (SI) – inclusief de meter, seconde en kilogram – gebaseerd op fundamentele natuurlijke constanten. De kilogram, die ooit gebaseerd was op het ‘prototype kilogram’, is nu bijvoorbeeld gekoppeld aan de constante h van Planck. Een meter wordt gedefinieerd door de snelheid van het licht, en een seconde door de oscillatie van het cesiumatoom.

Dankzij laserinterferometers en atoomklokken kunnen lengte- en tijdeenheden wereldwijd relatief eenvoudig worden geverifieerd. De situatie is heel anders voor fysieke grootheden zoals massa en elektrische eenheden. Hun metrologische traceerbaarheid is zo complex dat de metingen slechts in een handvol nationale metrologische instituten haalbaar zijn.

Tot nu toe heeft het quantum Hall-effect gediend als standaard voor elektrische weerstand. Hoewel het nauwkeurige, reproduceerbare waarden oplevert, vereist het extreme laboratoriumomstandigheden: temperaturen dichtbij het absolute nulpunt en magnetische velden die sterker zijn dan die in klinische MRI-systemen. De metingen vereisen geavanceerde cryogene systemen en strikt gecontroleerde faciliteiten.

Memristors bieden een radicaal andere aanpak. Oorspronkelijk ontwikkeld als bouwstenen voor nieuwe computerarchitecturen, vertonen ze schakelgedrag dat direct volgt op universele constanten. Functioneel fungeren ze als programmeerbare weerstanden, in wezen transistors met geheugen. Daarin vormen zich geleidende nanofilamenten van individuele zilveratomen. Door elektrische voorspanning toe te passen kunnen deze filamenten met atomaire precisie worden aangepast, zodat hun geleiding niet continu verandert, maar in discrete kwantumstappen.

‘Voor het eerst hebben we aangetoond dat memristors op betrouwbare wijze discrete weerstandstoestanden kunnen genereren die rechtstreeks verband houden met universele natuurconstanten – zonder de noodzaak van uitgebreide koelsystemen of hoge magnetische velden’, zegt Ilia Valov van Forschungszentrum Jülich. “Het precisieniveau is al ruim voldoende voor de eindgebruiker.”

De basis van dit werk is de gekwantiseerde elektrische geleiding G₀, afgeleid van de constante h van Planck en de elementaire lading e. In de experimenten werden memristors reproduceerbaar geprogrammeerd in lucht bij kamertemperatuur in stabiele geleidingstoestanden van precies 1·G₀ en 2·G₀, die gedurende langere perioden werden gehandhaafd.

Uit metingen bij deelnemende onderzoeksinstituten in Italië, Duitsland, Spanje, Turkije en Portugal bleek een afwijking van 3,8% voor 1·G₀ en 0,6% voor 2·G₀. De sleutel ligt in een proces dat analoog is aan fijnslijpen: het zogenaamde ‘elektrochemisch polijsten’. In dit proces worden onstabiele atomen uit het geleidende filament verwijderd totdat er alleen een stabiel gekwantiseerd geleidingskanaal overblijft.

Deze aanpak brengt een concept tot stand dat bekend staat als “NMI-on-a-chip” – de dienst van een nationaal metrologisch instituut gecondenseerd in een microchip. In de toekomst zou dit ervoor kunnen zorgen dat een meetapparaat zijn referentie rechtstreeks in de chip kan inbouwen. Lange kalibratieketens – van metingen in metrologische instituten, via referentieweerstanden en precisiekalibrators tot aan de kalibratie van apparaten van eindgebruikers – zouden niet langer nodig zijn. In plaats van herhaaldelijk een multimeter naar het kalibratielaboratorium te sturen, zou hij zichzelf intern kunnen controleren aan de hand van de onveranderlijke natuurlijke constante: een ingebouwde kalibratiestandaard.

Toepassingen variëren van vereenvoudigde kalibratieprocedures in de industrie tot mobiele meetsystemen en draagbare standaarden voor onderzoek in het veld of in de ruimte. “We staan ​​aan het begin van een paradigmaverschuiving: we gaan weg van complexe grootschalige faciliteiten naar intrinsieke, kwantumnauwkeurige standaarden die in elke chip kunnen worden geïntegreerd”, vat Valov samen.