带有忆阻器的微芯片，或将重塑全球测量标准

近日，巴塞罗那自治大学（UAB）参与的国际研究团队首次证实，纳米级电子器件忆阻器可在特定应用中轻松校准电阻，无需在极端温度和超强磁场下工作的大型复杂实验室。这项研究以《A quantum resistance memristor for an intrinsically traceable International System of Units standard》为题发表于《自然・纳米技术》期刊，首次探索了这类器件在电子系统校准流程中的计量应用。

要实现最高精度的电阻测量并将其用作计量标准，就需要接近绝对零度温度和比临床磁共振成像更强磁场的复杂实验室。该实验研究是在欧洲MEMQuD项目框架下开展的，研究表明，忆阻器能提供与自然基本常数直接相关的稳定电阻值。因此，它们可成为一种比现有系统简单得多的新型电阻校准标准。

基于自然常数的测量标准

自 2019 年起，国际单位制的所有基本单位，包括米、秒和千克，都以自然基本常数为基础。例如，曾经以 “千克原器” 为基准的千克，如今与普朗克常数h相关联。米的定义基于光速，秒则由铯原子的振动来定义。借助激光干涉仪和原子钟，长度和时间单位在全球范围内相对容易验证。但质量和电学单位等物理量的情况则大不相同。它们的计量溯源极为复杂，仅少数国家计量机构能够开展相关测量。

此前，量子霍尔效应一直用作电阻的计量标准。尽管它能提供高精度且可重复的数值，但需要极端的实验室条件，即接近绝对零度的温度和强磁场。这类测量需要精密的低温系统和严格控制的设施。

作为电阻测量标准系统的忆阻器

忆阻器提供了一种截然不同的方法。它们最初被开发为新型计算架构的基础元件，如非易失性存储器和模拟大脑计算的神经形态电路，其开关特性直接遵循普适常数。功能上，它们相当于可编程电阻，本质上是带有记忆功能的电阻。通过施加外部电压或电流，其电阻值可发生改变。忆阻器内部会形成由单个银原子构成的导电纳米线。施加偏压后，这些纳米线可通过原子级精度进行调节，使其电导变化并非连续，而是呈离散的量子级跃变。

巴塞罗那自治大学教授恩里克・米兰达表示，“我们已证实，忆阻器能可靠地产生与自然普适常数直接相关的离散电阻状态。1998 年，我们团队首次在薄绝缘体的介电击穿中发现了这些量子效应。对于特定应用，这些器件可用于校准，无需复杂的冷却系统或强磁场。”

浓缩于单块微芯片的国家计量机构

这种方法使 “芯片上的国家计量机构” 这一概念成为可能，即将国家计量机构的功能浓缩到一块微芯片中。未来，这意味着测量设备可将电阻基准直接内置到芯片中。从计量机构测量、参考电阻和精密校准仪，到终端用户设备校准的冗长校准链将不再必要。用户无需反复将万用表送往校准实验室，设备可进行内部自检，即借助内置的校准标准。

其应用范围涵盖工业简化校准流程、移动测量系统，以及用于野外或太空研究的便携式标准。巴塞罗那自治大学教授霍尔迪・苏涅表示，“我们正处于范式转变的开端，从复杂的大型设施转向可集成到任何芯片中的内在量子精确标准。”

量化电导

这项研究的基础是量化电导 G₀，其源于普朗克常数 h 和基本电荷 e。实验中，忆阻器在室温空气中可重复编程至稳定的电导状态，精确达到 1・G₀和 2・G₀，并能长期保持。意大利、德国、西班牙、土耳其和葡萄牙的参与研究机构进行的测量显示，1・G₀的偏差为 3.8%，2・G₀的偏差为 0.6%。关键在于一种名为 “电化学抛光” 的工艺。该工艺会去除导电纳米线上的不稳定原子，直至仅留下稳定的量子导电通道。