En experimentos en dos laboratorios nacionales del Departamento de Energía, SLAC National Accelerator Laboratory y Lawrence Berkeley National Laboratory, los científicos de Hewlett Packard Enterprise (HPE) han confirmado experimentalmente aspectos críticos de cómo un nuevo tipo de dispositivo microelectrónico, el memristor, funciona a escala atómica.

Este resultado es un paso importante en el diseño de estos dispositivos de estado sólido para su uso en futuras memorias de computadora que operan mucho más rápido. duran más y consumen menos energía que la memoria flash actual. Los resultados fueron publicados en febrero en Materiales avanzados .

"Necesitamos información como esta para poder diseñar memristores que tengan éxito comercial, "dijo Suhas Kumar, un científico de HPE y primer autor del artículo técnico del grupo.

El memristor se propuso teóricamente en 1971 como el cuarto elemento básico del dispositivo eléctrico junto con la resistencia, condensador e inductor. En su corazón hay una pequeña pieza de óxido de metal de transición intercalada entre dos electrodos. La aplicación de un pulso de voltaje positivo o negativo aumenta o disminuye drásticamente la resistencia eléctrica del memristor. Este comportamiento lo hace adecuado para su uso como una memoria de computadora "no volátil" que, como una memoria flash, puede conservar su estado sin que se actualice con energía adicional.

En la última década, un grupo de HPE dirigido por el miembro senior R. Stanley Williams ha explorado diseños de memristor, materiales y comportamiento en detalle. Desde 2009, han utilizado rayos X de sincrotrón intensos para revelar los movimientos de los átomos en los memristores durante la conmutación. A pesar de los avances en la comprensión de la naturaleza de este cambio, Los detalles críticos que serían importantes en el diseño de circuitos comercialmente exitosos siguieron siendo controvertidos. Por ejemplo, las fuerzas que mueven los átomos, resultando en cambios dramáticos de resistencia durante la conmutación, permanecen en debate.

En años recientes, el grupo examinó memristores hechos con óxidos de titanio, tantalio y vanadio. Los experimentos iniciales revelaron que el cambio en los dispositivos de óxido de tantalio podría controlarse más fácilmente, por lo que fue elegido para una exploración más profunda en dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE:la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford de SLAC (SSRL) y la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab (ALS).

En ALS, los investigadores de HPE mapearon las posiciones de los átomos de oxígeno antes y después del cambio. Para esto, utilizaron un microscopio de rayos X de transmisión de barrido y un aparato que construyeron para controlar con precisión la posición de su muestra y el tiempo y la intensidad de los rayos X de la ALS de 500 electronvoltios, que estaban sintonizados para ver oxígeno.

Los experimentos revelaron que incluso los pulsos de voltaje débiles crean una ruta conductora delgada a través del memristor. Durante el pulso el camino se calienta, que crea una fuerza que empuja a los átomos de oxígeno fuera del camino, haciéndolo aún más conductivo. La inversión del pulso de voltaje restablece el memristor aspirando algunos de los átomos de oxígeno de vuelta a la ruta de conducción, aumentando así la resistencia del dispositivo. La resistencia del memristor cambia entre 10 y 1 millón de veces, dependiendo de los parámetros operativos como la amplitud del pulso de voltaje. Este cambio de resistencia es lo suficientemente dramático como para explotarlo comercialmente.

Para estar seguro de su conclusión, los investigadores también necesitaban comprender si los átomos de tantalio se movían junto con el oxígeno durante el cambio. La obtención de imágenes de tantalio requería mayor energía, 10, Rayos X de 000 electronvoltios, que obtuvieron en la línea de haz 6-2 de SSRL. En una sola sesión allí, determinaron que el tantalio permanecía estacionario.

"Eso selló el trato, convencernos de que nuestra hipótesis era correcta, "dijo la científica de HPE Catherine Graves, que había trabajado en SSRL como estudiante de posgrado de Stanford. Añadió que las discusiones con los expertos de SLAC eran fundamentales para guiar al equipo de HPE hacia las técnicas de rayos X que les permitirían ver el tantalio con precisión.

Kumar dijo que el aspecto más prometedor de los resultados del óxido de tantalio fue que los científicos no vieron degradación al cambiar más de mil millones de pulsos de voltaje de una magnitud adecuada para uso comercial. Agregó que este conocimiento ayudó a su grupo a construir memristores que duraron casi mil millones de ciclos de conmutación, alrededor de una mejora de mil veces.

"Esto es mucho más duradero de lo que es posible con los dispositivos de memoria flash actuales, "Kumar dijo." Además, También usamos pulsos de voltaje mucho más altos para acelerar y observar fallas de memristor, lo cual también es importante para comprender cómo funcionan estos dispositivos. Las fallas ocurrieron cuando los átomos de oxígeno fueron forzados a alejarse tanto que no regresaron a sus posiciones iniciales ".

Más allá de los chips de memoria, Kumar dice que la rápida velocidad de conmutación de los memristores y su pequeño tamaño podrían hacerlos adecuados para su uso en circuitos lógicos. Las características adicionales del memristor también pueden ser beneficiosas en la clase emergente de circuitos informáticos neuromórficos inspirados en el cerebro.

"Los transistores son grandes y voluminosos en comparación con los memristores, ", dijo." Los memristores también son mucho más adecuados para crear los picos de voltaje similares a las neuronas que caracterizan los circuitos neuromórficos ".