Os memristores alcançam valores de resistência estáveis ​​ligados às constantes fundamentais da natureza

Pesquisadores do Forschungszentrum Jülich, juntamente com colaboradores internacionais, demonstraram pela primeira vez que os memristores – novos dispositivos de comutação em nanoescala – podem fornecer valores de resistência estáveis ​​diretamente ligados às constantes fundamentais da natureza. Isso abre caminho para que unidades elétricas, como a resistência elétrica, sejam rastreadas de maneira muito mais simples e direta do que foi possível até agora. Por outro lado, a tecnologia de medição convencional baseada em quântica é tão exigente que só pode ser realizada em alguns laboratórios especializados em todo o mundo.

O papel é publicado no diário Nanotecnologia da Natureza.

Desde 2019, todas as unidades básicas do Sistema Internacional de Unidades (SI) – incluindo o metro, o segundo e o quilograma – têm sido baseadas em constantes naturais fundamentais. Por exemplo, o quilograma, que antes period baseado no “protótipo do quilograma”, agora está vinculado à constante h de Planck. Um metro é definido pela velocidade da luz e um segundo pela oscilação do átomo de césio.

Graças aos interferômetros laser e relógios atômicosunidades de comprimento e tempo podem ser verificadas com relativa facilidade em todo o mundo. A situação é bem diferente para grandezas físicas como massa e unidades elétricas. A sua rastreabilidade metrológica é tão complexa que as medições só são viáveis ​​num pequeno número de institutos nacionais de metrologia.

Até agora, o efeito Corridor quântico serviu como padrão para resistência elétrica. Embora forneça valores precisos e reproduzíveis, requer condições laboratoriais extremas – temperaturas próximas do zero absoluto e campos magnéticos mais fortes do que os dos sistemas clínicos de ressonância magnética. As medições requerem sistemas criogênicos sofisticados e instalações rigorosamente controladas.

Os memristores oferecem uma abordagem radicalmente diferente. Originalmente desenvolvidos como blocos de construção para novas arquiteturas de computação, eles exibem um comportamento de comutação que segue diretamente as constantes universais. Funcionalmente, eles atuam como resistores programáveis ​​– essencialmente transistores com memória. Nanofilamentos condutores de átomos de prata individuais se formam dentro deles. Ao aplicar polarização elétrica, esses filamentos podem ser ajustados com precisão atômica, de modo que sua condutância não mude continuamente, mas em etapas quânticas discretas.

“Pela primeira vez, demonstramos que os memristores podem gerar de forma confiável estados de resistência discretos que estão diretamente relacionados às constantes universais da natureza – sem a necessidade de sistemas de resfriamento elaborados ou campos magnéticos elevados”, diz Ilia Valov do Forschungszentrum Jülich. “O nível de precisão já é totalmente suficiente para o usuário ultimate.”

A base deste trabalho é a condutância elétrica quantizada G₀, derivada da constante h de Planck e da carga elementar e. Nos experimentos, os memristores foram programados de forma reproduzível no ar em temperatura ambiente em estados de condutância estáveis ​​de exatamente 1·G₀ e 2·G₀, mantidos por longos períodos.

As medições realizadas nos institutos de investigação participantes em Itália, Alemanha, Espanha, Turquia e Portugal revelaram um desvio de 3,8% para 1·G₀ e de 0,6% para 2·G₀. A chave está em um processo análogo ao desbaste fino: o chamado “polimento eletroquímico”. Neste processo, átomos instáveis ​​são removidos do filamento condutor até que apenas um canal de condução quantizado estável permaneça.

Esta abordagem traz à tona um conceito conhecido como “NMI-on-a-chip” – o serviço de um instituto nacional de metrologia condensado em um microchip. No futuro, isso poderá permitir que um dispositivo de medição tenha sua referência incorporada diretamente no chip. Longas cadeias de calibração – desde medições em institutos de metrologia, passando por resistores de referência e calibradores de precisão, até a calibração de dispositivos do usuário ultimate – não seriam mais necessárias. Em vez de enviar repetidamente um multímetro ao laboratório de calibração, ele poderia verificar-se internamente em relação à constante pure imutável – um padrão de calibração integrado.

As aplicações variam desde procedimentos de calibração simplificados na indústria até sistemas de medição móveis e padrões portáteis para pesquisa no campo ou no espaço. “Estamos no início de uma mudança de paradigma – afastando-nos de instalações complexas de grande escala para padrões intrínsecos e com precisão quântica que podem ser integrados em qualquer chip”, resume Valov.