Un chip con memristores puede sustituir todo un laboratorio para calibrar la resistencia eléctrica
Una colaboración de investigación internacional con participación de la UAB ha demostrado por primera vez que el memristor, un componente electrónico en la nanoescala, para determinadas aplicaciones, permite calibrar de manera simple la resistencia eléctrica sin requerir de grandes y complejos laboratorios que trabajan en condiciones extremas de temperatura y campo magnético. El trabajo, publicado en Nature Nanotechnology, considera por primera vez las aplicaciones metrológicas de estos dispositivos, con aplicaciones en procedimientos de calibración de sistemas electrónicos.
La medida de la resistencia eléctrica con la máxima precisión, con el fin de ser utilizada como estándar en metrología, requiere laboratorios complejos con refrigeraciones próximas al cero absoluto y campos magnéticos más intensos que los utilizados en resonancia magnética clínica.
Una investigación internacional en el marco del proyecto europeo MEMQuD, con participación de los investigadores del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UAB Enrique Miranda y Jordi Suñé, ha demostrado que los memristores pueden mostrar valores estables de resistencia que sólo dependen de constantes fundamentales de la naturaleza. De esta manera, pueden convertirse en un nuevo estándar mucho más sencillo que los sistemas actuales para la calibración de esta magnitud.
Estándares de medida basados en constantes de la naturaleza
Desde 2019, todas las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI) —incluyendo el metro, el segundo y el kilogramo— se basan en constantes fundamentales de la naturaleza. Por ejemplo, el kilogramo, que antes se definía a partir del "kilogramo prototipo", ahora está vinculado a la constante de Planck (h). El metro se define a partir de la velocidad de la luz y un intervalo de tiempo de un segundo por la oscilación del átomo de cesio. Gracias a los interferómetros láser y a los relojes atómicos, las unidades de longitud y de tiempo pueden verificarse con relativa facilidad en todo el mundo. La situación es muy diferente para magnitudes físicas como la masa y las unidades eléctricas. Su trazabilidad metrológica es tan compleja que las medidas sólo son factibles en un número reducido de institutos nacionales de metrología.
Hasta ahora, el efecto Hall cuántico ha servido como estándar para la resistencia eléctrica. Aunque proporciona valores precisos y reproducibles, requiere medidas a temperaturas próximas al cero absoluto y campos magnéticos muy intensos. Las medidas exigen sistemas criogénicos sofisticados e instalaciones estrictamente controladas.
Los memristores como sistema estándar de medida de la resistencia
Los memristores ofrecen un enfoque radicalmente diferente. Originalmente desarrollados como componentes para arquitecturas de computación innovadoras, como memorias no volátiles y circuitos neuromórficos que emulan el funcionamiento del cerebro, muestran un comportamiento de conmutación que sigue directamente las constantes universales.
Funcionalmente, actúan como resistores programables —esencialmente, resistencias con memoria—. Su resistencia se puede modificar mediante la aplicación de señales externas de tensión o de corriente. Dentro de estos dispositivos se forman nanofilamentos conductores compuestos por átomos individuales de plata. Al aplicar una polarización eléctrica, estos filamentos pueden ajustarse a escala atómica de manera que su conductancia no cambie de forma continua, sino en saltos cuánticos discretos.
"Por primera vez, hemos demostrado que los estados de resistencia cuantizada en memistores pueden utilizarse de manera fiable para calibrar la resistencia eléctrica en términos de las constantes universales de la naturaleza. Para determinadas aplicaciones, se podrán utilizar los memististores para la calibración sin necesidad de sistemas de refrigeración complejos ni de campos magnéticos intensos", afirma el profesor de la UAB Enrique Miranda.
Un instituto nacional de metrología condensado en un microchip
Este enfoque hace posible un concepto conocido como "NMI-en-un-chip": el servicio de un instituto nacional de metrología condensado en un microchip. En el futuro, esto podría permitir que un dispositivo de medida tuviera su referencia integrada directamente dentro del chip. Las largas cadenas de calibración —desde las medidas en los institutos de metrología, pasando por resistores de referencia y calibradores de precisión, hasta la calibración de los dispositivos de los usuarios finales— ya no serían necesarias. En lugar de enviar repetidamente un multímetro al laboratorio de calibración, éste podría comprobarse internamente comportándose con constantes naturales inmutables: un estándar de calibración incorporado.
Aplicaciones en investigación y en la industria
Las aplicaciones van desde procedimientos de calibración simplificados en la industria hasta sistemas de medida móviles y estándares portátiles para la investigación de campo o espacial. "Estamos en el inicio de un cambio de paradigma: pasar de instalaciones complejas y de gran escala hacia estándares intrínsecos, cuánticamente precisos, que se puedan integrar en cualquier chip", concluye el profesor de la UAB Jordi Suñé.
Conductancia eléctrica cuantificada
La base de este trabajo es la conductancia eléctrica cuantizada G₀, derivada de la constante de Planck h y de la carga elemental e. En los experimentos, los memristores se programaron de manera reproducible en aire y a temperatura ambiente en estados estables de conductancia exactamente iguales a 1·G₀ y 2·G₀, que se mantuvieron estables durante períodos prolongados de tiempo. Las mediciones realizadas en los institutos de investigación participantes en Italia, Alemania, España, Turquía y Portugal revelaron, en un conjunto de experimentos entre laboratorios, una desviación del 3,8 % para 1·G₀ y del 0,6 % para 2·G₀. La clave radica en un proceso análogo al pulido fino, denominado “pulido electroquímico”. En este proceso, los átomos inestables se eliminan del filamento conductor hasta que solo queda un canal de conducción cuantizado estable.
El proyecto europeo MEMQuD, financiado por el European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR) de la alianza de organizaciones del ámbito de la metrología EURAMET, es una colaboración internacional con la participación de la UAB, el INRiM (Italia), el Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institute (Alemania), el Politecnico di Torino (Italia), IMDEA Nanociencia (España), el TUBITAK National Metrology Institute (Turquía), la TOBB University of Economics and Technology (Turquía), el Instituto Português da Qualidade (Portugal) y la Bulgarian Academy of Sciences (Bulgaria).
Artículo científico:
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