p Em experimentos em dois laboratórios nacionais do Departamento de Energia - SLAC National Accelerator Laboratory e Lawrence Berkeley National Laboratory - cientistas da Hewlett Packard Enterprise (HPE) confirmaram experimentalmente aspectos críticos de como um novo tipo de dispositivo microeletrônico, o memristor, funciona em escala atômica. p Este resultado é uma etapa importante no projeto desses dispositivos de estado sólido para uso em futuras memórias de computador que operam muito mais rápido, duram mais e usam menos energia do que a memória flash de hoje. Os resultados foram publicados em fevereiro em Materiais avançados .

p "Precisamos de informações como essa para poder projetar memristores que terão sucesso comercialmente, "disse Suhas Kumar, um cientista da HPE e primeiro autor do artigo técnico do grupo.

p O memristor foi proposto teoricamente em 1971 como o quarto elemento elétrico básico ao lado do resistor, capacitor e indutor. Em seu coração está um minúsculo pedaço de óxido de metal de transição imprensado entre dois eletrodos. Aplicar um pulso de voltagem positivo ou negativo aumenta ou diminui dramaticamente a resistência elétrica do memristor. Este comportamento o torna adequado para uso como uma memória de computador "não volátil" que, como memória flash, pode reter seu estado sem ser atualizado com energia adicional.

p Na última década, um grupo HPE liderado por um colega sênior R. Stanley Williams explorou projetos de memristor, materiais e comportamento em detalhes. Desde 2009, eles usam intensos raios-X síncrotron para revelar os movimentos dos átomos nos memristores durante a troca. Apesar dos avanços na compreensão da natureza dessa mudança, detalhes críticos que seriam importantes no projeto de circuitos de sucesso comercial permaneceram controversos. Por exemplo, as forças que movem os átomos, resultando em mudanças dramáticas de resistência durante a troca, permanecem em debate.

p Nos últimos anos, o grupo examinou memristores feitos com óxidos de titânio, tântalo e vanádio. Os experimentos iniciais revelaram que a troca nos dispositivos de óxido de tântalo pode ser controlada mais facilmente, portanto, foi escolhido para exploração adicional em duas instalações do usuário do DOE Office of Science - Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC e Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab.

p Na ALS, os pesquisadores do HPE mapearam as posições dos átomos de oxigênio antes e depois da troca. Por esta, eles usaram um microscópio de raios-X de transmissão de varredura e um aparelho que construíram para controlar com precisão a posição de sua amostra e o tempo e a intensidade dos raios-X ALS de 500 elétron-volt, que foram ajustados para ver o oxigênio.

p Os experimentos revelaram que mesmo pulsos de voltagem fracos criam um caminho condutor fino através do memristor. Durante o pulso, o caminho se aquece, que cria uma força que empurra os átomos de oxigênio para longe do caminho, tornando-o ainda mais condutivo. Reverter o pulso de voltagem redefine o memristor sugando alguns átomos de oxigênio de volta para o caminho de condução, aumentando assim a resistência do dispositivo. A resistência do memristor muda entre 10 e 1 milhão de vezes, dependendo dos parâmetros operacionais, como a amplitude do pulso de tensão. Essa mudança de resistência é dramática o suficiente para ser explorada comercialmente.

p Para ter certeza de sua conclusão, os pesquisadores também precisavam entender se os átomos de tântalo estavam se movendo junto com o oxigênio durante a troca. A imagem do tântalo exigia maior energia, 10, Raios-X de 000 elétron-volt, que eles obtiveram na linha de feixe 6-2 da SSRL. Em uma única sessão lá, eles determinaram que o tântalo permanecia estacionário.

p "Isso selou o acordo, nos convencendo de que nossa hipótese estava correta, "disse a cientista da HPE Catherine Graves, que havia trabalhado na SSRL como estudante de graduação em Stanford. Ela acrescentou que as discussões com os especialistas do SLAC foram fundamentais para orientar a equipe da HPE em direção às técnicas de raios-X que lhes permitiriam ver o tântalo com precisão.

p Kumar disse que o aspecto mais promissor dos resultados do óxido de tântalo foi que os cientistas não viram degradação na troca de mais de um bilhão de pulsos de voltagem de magnitude adequada para uso comercial. Ele acrescentou que esse conhecimento ajudou seu grupo a construir memristores que duraram quase um bilhão de ciclos de comutação, melhoria de cerca de mil vezes.

p "Isso é muito mais duradouro do que é possível com os dispositivos de memória flash de hoje, "Kumar disse." Além disso, também usamos pulsos de voltagem muito mais altos para acelerar e observar falhas de memristor, o que também é importante para entender como esses dispositivos funcionam. As falhas ocorreram quando os átomos de oxigênio foram forçados para longe e não voltaram às suas posições iniciais. "

p Além dos chips de memória, Kumar diz que a rápida velocidade de comutação e o tamanho pequeno dos memristores podem torná-los adequados para uso em circuitos lógicos. Características adicionais do memristor também podem ser benéficas na classe emergente de circuitos de computação neuromórficos inspirados no cérebro.

p "Os transistores são grandes e volumosos em comparação com os memristores, "ele disse." Memristors também são muito mais adequados para criar os picos de voltagem semelhantes aos neurônios que caracterizam os circuitos neuromórficos. "