Un xip amb memristors pot substituir tot un laboratori per calibrar la resistència elèctrica
Una col·laboració de recerca internacional amb participació de la UAB ha demostrat per primera vegada que el memristor, un component electrònic en la nanoescala, per a determinades aplicacions, permet calibrar de manera simple la resistència elèctrica sense requerir de grans i complexos laboratoris que treballen en condicions extremes de temperatura i camp magnètic. El treball, publicat a Nature Nanotechnology, considera per primera vegada les aplicacions metrològiques d’aquests dispositius, amb aplicacions en procediments de calibratge de sistemes electrònics.
La mesura de la resistència elèctrica amb la màxima precisió, per tal de ser emprada com a estàndard en metrologia, requereix de laboratoris complexos amb refrigeracions properes al zero absolut i camps magnètics més intensos que els utilitzats en ressonància magnètica clínica.
Una recerca internacional en el marc del projecte europeu MEMQuD, amb participació dels investigadors del Departament d’Enginyeria Electrònica de la UAB Enrique Miranda i Jordi Suñé, ha demostrat que els memristors poden mostrar valors estables de resistència que només depenen de constants fonamentals de la natura. D’aquesta manera, poden esdevenir un nou estàndard molt més senzill que els sistemes actuals per a la calibració d’aquesta magnitud.
Estàndards de mesura basats en constants de la natura
Des del 2019, totes les unitats bàsiques del Sistema Internacional d’Unitats (SI) —incloent-hi el metre, el segon i el quilogram— es basen en constants fonamentals de la natura. Per exemple, el quilogram, que abans es definia a partir del “quilogram prototip”, ara està vinculat a la constant de Planck (h). El metre es defineix a partir de la velocitat de la llum i un interval de temps d’un segon per l’oscil·lació de l’àtom de cesi. Gràcies als interferòmetres làser i als rellotges atòmics, les unitats de longitud i de temps poden verificar-se amb relativa facilitat arreu del món. La situació és molt diferent per a magnituds físiques com la massa i les unitats elèctriques. La seva traçabilitat metrològica és tan complexa que les mesures només són factibles en un nombre reduït d’instituts nacionals de metrologia.
Fins ara, l’efecte Hall quàntic ha servit com a estàndard per a la resistència elèctrica. Tot i que proporciona valors precisos i reproduïbles, requereix de mesures a temperatures properes al zero absolut i camps magnètics molt intensos. Les mesures exigeixen sistemes criogènics sofisticats i instal·lacions estrictament controlades.
Els memristors com a sistema estàndard de mesura de la resistència
Els memristors ofereixen un enfocament radicalment diferent. Originalment desenvolupats com a components per a arquitectures de computació innovadores, com ara memòries no volàtils i circuits neuromòrfics que emulen el funcionament del cervell, mostren un comportament de commutació que segueix directament les constants universals.
Funcionalment, actuen com a resistors programables —essencialment, resistències amb memòria—. La seva resistència es pot modificar mitjançant l’aplicació de senyals externs de tensió o de corrent. Dins d’aquests dispositius es formen nanofilaments conductors compostos per àtoms individuals de plata. En aplicar-hi una polarització elèctrica, aquests filaments poden ajustar-se a escala atòmica de manera que la seva conductància canviï no de forma contínua, sinó en salts quàntics discrets.
“Per primera vegada, hem demostrat que els estats de resistència quantitzada en memristors poden utilitzarse de manera fiable per a calibrar la resistència elèctrica en termes de les constants universals de la natura. Per a determinades aplicacions, es podran utilitzar els memristors per a la calibració sense necessitat de sistemes de refrigeració complexos ni de camps magnètics intensos”, afirma el professor de la UAB Enrique Miranda.
Un institut nacional de metrologia condensat en un microxip
Aquest enfocament fa possible un concepte conegut com a “NMI-en-un-xip”: el servei d’un institut nacional de metrologia condensat en un microxip. En el futur, això podria permetre que un dispositiu de mesura tingués la seva referència integrada directament dins del xip. Les llargues cadenes de calibratge —des de les mesures als instituts de metrologia, passant per resistors de referència i calibradors de precisió, fins a la calibració dels dispositius dels usuaris finals— ja no serien necessàries. En lloc d’enviar repetidament un multímetre al laboratori de calibratge, aquest podria comprovar-se internament comparant-se amb constants naturals immutables: un estàndard de calibratge incorporat.
Aplicacions en recerca i en la indústria
Les aplicacions van des de procediments de calibratge simplificats en la indústria fins a sistemes de mesura mòbils i estàndards portàtils per a la recerca de camp o espacial. “Som a l’inici d’un canvi de paradigma: passar d’instal·lacions complexes i de gran escala cap a estàndards intrínsecs, quànticament precisos, que es puguin integrar en qualsevol xip”, conclou el professor de la UAB Jordi Suñé.
Conductància elèctrica quantificada
La base d’aquest treball és la conductància elèctrica quantificada G₀, derivada de la constant de Planck h i de la càrrega elemental e. En els experiments, els memristors es van programar de manera reproduïble a l’aire i a temperatura ambient en estats estables de conductància exactament iguals a 1·G₀ i 2·G₀, que es van mantenir estables durant períodes prolongats de temps. Les mesures realitzades als instituts de recerca participants a Itàlia, Alemanya, Espanya, Turquia i Portugal van revelar en un conjunt d’experiments inter-laboratoris una desviació del 3,8 % per a 1·G₀ i del 0,6 % per a 2·G₀. La clau rau en un procés anàleg al polit fi, anomenat “polit electroquímic”. En aquest procés, els àtoms inestables s’eliminen del filament conductor fins que només resta un canal de conducció quantitzat estable.
El projecte europeu MEMQuD, finançat per l’European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR) de l’aliança d’organitzacions de l’àmbit de la metrologia EURAMET, és una col·laboració internacional amb la participació de la UAB, l’INRiM (Itàlia), el Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institute (Alemanya), el Politecnico di Torino (Itàlia), IMDEA Nanociencia (Espanya), el TUBITAK National Metrology Institute (Turquia), la TOBB University of Economics and Technology (Turquia), l’Instituto Português da Qualidade (Portugal) i la Bulgarian Academy of Sciences (Bulgària).
Article científic:
Milano, G., Zheng, X., Michieletti, F. et al. A quantum resistance memristor for an intrinsically traceable International System of Units standard. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02037-5