Memristores

El memristor (una contracción de las palabras "memoria" y "resistor") fue un término acuñado en 1971 por el ingeniero eléctrico Leon Chua como el componente eléctrico pasivo de dos terminales no lineal faltante, ya que relaciona la vinculación de la carga eléctrica con un flujo magnético. 1​ La operación de los dispositivos RRAM (también llamados ReRAM) fue recientemente conectada con el concepto de memristor. 2​ De acuerdo con características relaciones matemáticas, hipotéticamente el memristor podría operar de la siguiente manera: la resistencia eléctrica del memristor no es constante sino que depende de la historia de la corriente que ha fluido previamente a través del dispositivo; es decir, su resistencia actual depende de la cantidad de carga eléctrica que ha fluido, y en qué dirección, a través de él en el pasado. El dispositivo recuerda su historia, la llamada propiedad de no-volatilidad. 3​ Cuando el suministro de energía eléctrica es desconectado, el memristor recuerda su resistencia más reciente, hasta que vuelva a ser encendido

En 1971, un profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) publicó un trabajo en el cual proponía la existencia de un nuevo componente básico de la electrónica. Leon Chua postuló la idea de que podría haber un resistor con memoria: el memristor, con propiedades únicas, de confeccionárselo a escala nanométrica. Este elemento, en ese entonces un concepto teórico y matemático, sería capaz de oscilar casi instantáneamente entre el comportamiento de un aislante y el de un semiconductor, y de "recordar" su último nivel de resistencia eléctrica cuando dejase de recibir una corriente. Sólo en 2008, 37 años después, un equipo de HP Labs, en Estados Unidos, produjo el primer circuito basado en el componente elusivo. Los investigadores elaboraron una nanopelícula de óxido de titanio con memristores de 15 nanómetros. A partir de ese trabajo, el memristor pasó a conocerse como un comodín en potencial de la naciente nanoelectrónica. Sería capaz de desempeñar, más rápido, con un menor consumo de energía y en un menor espacio físico, las dos tareas más básicas de una computadora: procesar (como un chip con transistores de silicio) y almacenar (como los discos rígidos de las PCs y la memoria flash de los pen drives) información.

Hasta ahora no se sabe a ciencia cierta por qué los memristores funcionan de manera singular, aunque algunas empresas, tales como la gigante Panasonic y la pequeña Knowm, de Nuevo México (EE.UU.), ya comercializan tímidamente versiones modestas de chips basados en este componente. El movimiento de algunos átomos de oxígeno en el interior de nanopelículas de óxidos metálicos, cuando se los somete a distintas corrientes eléctricas, es la tesis más aceptada para justificar las propiedades singulares de los memristores. Un equipo de físicos teóricos de las universidades Federal del ABC (UFABC), Estadual Paulista (Unesp) y Nacional de Yokohama (Japão) propuso a comienzos de julio, en un artículo publicado en Scientific Reports, una explicación alternativa de este fenómeno: la circulación de electrones sería la principal responsable de las características de este componente, dado que el "andar" de átomos no sería lo suficientemente rápido como para producir los efectos atribuidos a los memristores.

Estos componentes pueden alterar su resistencia en razón del paso de una corriente eléctrica en pocos picosegundos (la billonésima parte de un segundo equivale a un picosegundo). "No estamos afirmando que este efecto se deba únicamente a un fenómeno electrónico", explica Gustavo Dalpian, físico de la UFABC y coordinador del equipo que elaboró el estudio teórico, realizado en el marco de un proyecto temático de la FAPESP. "Pero creemos que sólo la oscilación de los átomos en el interior del material no sería suficiente como para explicar las características de los memristores". De acuerdo con el artículo, en determinadas configuraciones internas de sus átomos, como en las llamadas fases deficientes en oxígeno del óxido de titanio, los memristores logran almacenar carga. "Esto altera sus propiedades electrónicas y, por consiguiente, su capacidad de conducir o no la electricidad", afirma el físico Antonio Claudio Padilha, otro coautor del estudio, quien realizó su doctorado sobre el tema en la UFABC y actualmente realiza un posdoctorado en la Universidad de York, en Inglaterra.

La nueva propuesta de teoría tendiente a dilucidar la naturaleza del funcionamiento de los memristores aún requiere el respaldo de datos provenientes de experimentos. Algunos investigadores que trabajan desde hace más tiempo en el área muestran su escepticismo con relación al traslado del enfoque explicativo del fenómeno de los átomos a los electrones. Tal es el caso del físico Gilberto Medeiros-Ribeiro, de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). En abril de este año, tres meses antes del artículo de Dalpian y sus colaboradores, Medeiros-Ribeiro y un equipo de investigadores de HP reforzaron la hipótesis tradicional sobre el mecanismo de funcionamiento de este tipo de componentes con nuevas evidencias.

En un artículo publicado en Nature Communications, los científicos informaron acerca de la medición de un ruido interno originado por el movimiento de iones (átomos que perdieron o ganaron electrones) en un sistema con memristores elaborados con óxido de tántalo. "El ruido era 10 mil veces mayor en los puntos de contacto entre los átomos y en los electrodos del circuito", informa Medeiros-Ribeiro, quien trabajó durante cuatro años y medio en HP Labs como gerente de investigación con memristores antes de su contratación en la universidad de Minas Gerais. "En las dimensiones de nuestros dispositivos, basta con que un átomo de oxígeno 'avance' una posición atómica dentro del memristor para que su resistencia disminuya 10 veces". En el estudio, Medeiros-Ribeiro y sus colegas de la empresa estadounidense crearon memristores en los cuales el canal interno, el espacio donde los iones podrían moverse, equivalía al espesor de un átomo. Como la radiación cósmica de fondo constituye uno de los indicios de la existencia del Big Bang, ese ruido interno excesivo de los memristores, que ocurre únicamente en condiciones de contacto atómico, sería una evidencia del movimiento de los iones dentro del material.

Pese a que los memristores no requieren de condiciones especiales para funcionar, trabajos anteriores de Medeiros-Ribeiro y de otros investigadores indican que pueden ocurrir enormes variaciones de temperatura en puntos específicos de esos componentes. "El circuito en su totalidad se encuentra a temperatura ambiente, pero los puntos de contacto entre los óxidos metálicos y los electrodos pueden llegar a los 800 graus Celsius", explica Medeiros-Ribeiro. Esa acumulación de calor en determinadas regiones también explica el rápido movimiento de los átomos dentro de esos componentes, según el físico de la UFMG.

En términos funcionales, un memristor, cuyas propiedades de procesamiento y almacenamiento suelen compararse con las de las neuronas, puede hacer mucho más que un resistor. Éste presenta una resistencia eléctrica constante. Su capacidad de oponerse al paso de la corriente eléctrica en un circuito es constante, independientemente del voltaje en que opere. En otras palabras, su conductividad eléctrica, grande o pequeña, de acuerdo con el material utilizado para su fabricación, no cambia nunca. Por eso el resistor es un componente fundamental para limitar y estabilizar la corriente en un sistema.

La carga eléctrica y la corriente se relacionan entre si por definición, puesto que la segunda es la variación que se da en la primera a lo largo del tiempo.

Lo mismo sucedía con el flujo magnético y el voltaje. Por definición, el voltaje es la variación en el tiempo que experimenta el flujo magnético.

Chua ya tenía dos de las 6 asociaciones posibles, y sabía que otras 3 correspondían a los tres elementos básicos de los circuitos tradicionales:

Un resistor (o resistencia) es un dispositivo que crea un voltaje cuando la corriente pasa a su través.

Un capacitor (o condensador) es un dispositivo que para cierto voltaje dado almacena cierta cantidad de carga.

Un inductor (o bobina) es un dispositivo que crea un flujo magnético cuando es atravesado por una corriente.

La sexta (y desconocida) relación sugería entonces que debería existir un cuarto tipo de dispositivo que relacionase la carga y el flujo magnético. ¿Pero dónde estaba ese dispositivo? No se sabía.

Lo único que pudo hacer Chua entonces fue ponerle nombre (lo bautizó memristor, un cruce entre los términos memory y resistor que podríamos definir como "resistencia con memoria") y determinar la clase de cosas que este dispositivo podría hacer.