Un salto cuántico en metrología: los memristores como nuevo estándar para la resistencia eléctrica

29.10.2025

Generado con ChatGPT 4.0 (2025).

• Una colaboración internacional en la que participan investigadores del IMDEA Nanociencia ha demostrado que los memristores pueden generar estados de resistencia discretos estables, directamente relacionados con las constantes universales de la naturaleza.
• Esta investigación abre el camino para integrar estándares intrínsecos y cuánticamente precisos en los chips de próxima generación.

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Madrid, 29 de octubre, 2025. Una colaboración internacional que incluye a investigadores de IMDEA Nanociencia ha demostrado por primera vez que los memristores —novedosos dispositivos de conmutación a nanoescala— pueden proporcionar valores de resistencia estables directamente vinculados a constantes fundamentales de la naturaleza. Esto prepara el camino para que unidades eléctricas como la resistencia eléctrica puedan trazarse de forma mucho más sencilla y directa de lo que ha sido posible hasta la fecha.

Desde 2019, todas las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI), incluidos el metro, el segundo y el kilogramo, se definen basándose en constantes naturales fundamentales. Por ejemplo, el kilogramo, que antes se basaba en el «kilogramo prototipo», ahora está vinculado a la constante de Planck h. El metro se define a través de la velocidad de la luz y el segundo por la oscilación del átomo de cesio. Gracias a los interferómetros láser y los relojes atómicos, las unidades de longitud y tiempo pueden verificarse con relativa facilidad en todo el mundo. La situación es muy diferente en el caso de magnitudes físicas como las unidades eléctricas. Su trazabilidad metrológica es tan compleja que las mediciones solo son factibles en unos pocos institutos nacionales de metrología.

La tecnología de medición convencional basada en la fenómenos cuánticos es tan exigente que solo puede llevarse a cabo en unos pocos laboratorios especializados en todo el mundo. Hasta ahora, el efecto Hall cuántico ha servido como estándar de la resistencia eléctrica. Aunque proporciona valores precisos y reproducibles, requiere condiciones de laboratorio extremas: temperaturas cercanas al cero absoluto y campos magnéticos más fuertes que los de los sistemas clínicos de resonancia magnética. Las mediciones requieren sofisticados sistemas criogénicos e instalaciones estrictamente controladas.

Los memristores ofrecen un enfoque radicalmente diferente. Desarrollados originalmente como componentes básicos para nuevas arquitecturas de computación, presentan un comportamiento de conmutación que sigue directamente las constantes universales. Funcionalmente, actúan como resistencias programables, es decir, transistores con memoria. En su interior se forman nanofilamentos conductores de átomos de plata individuales. Mediante la aplicación de un voltaje eléctrico, estos filamentos pueden ajustarse con precisión atómica, de modo que su conductancia no cambia de forma continua, sino en pasos cuánticos discretos.

«Por primera vez, hemos demostrado que los memristores pueden generar de forma fiable estados de resistencia discretos que están directamente relacionados con las constantes universales de la naturaleza, sin necesidad de sofisticados sistemas de refrigeración ni campos magnéticos elevados», afirma Gianluca Milano,  quien ha sido el coordinador del proyecto europeo MEMQuD que ha congregado el trabajo de 15 institutos y universidades europeos para alcanzar este resultado.

La base de este trabajo es la conductancia eléctrica cuantizada G₀, derivada de la constante de Planck h y la carga elemental e. En los experimentos, los memristores se programaron de forma reproducible en aire a temperatura ambiente en estados de conductancia estables de exactamente 1·G₀ y 2· G₀, que se mantuvieron durante largos periodos de tiempo. Las mediciones realizadas en los institutos de investigación participantes en Italia, Alemania, España, Turquía y Portugal revelaron una desviación del 3,8 % para 1· G₀ y del 0,6 % para 2· G₀. La clave reside en un proceso análogo al pulido fino: el denominado «pulido electroquímico». En este proceso, se eliminan los átomos inestables del filamento conductor hasta que solo queda un canal de conducción cuantificado estable.

Este enfoque pone al alcance un concepto conocido como «NMI-on-a-chip», es decir, el servicio de un instituto nacional de metrología condensado en un microchip. En el futuro, esto podría permitir que un dispositivo de medición tuviera su referencia integrada directamente en el chip. Las largas cadenas de calibración —desde las mediciones en los institutos de metrología, pasando por las resistencias de referencia y los 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, este podría comprobarse internamente con respecto a la constante natural inmutable: un patrón de calibración integrado.

Las aplicaciones abarcan desde procedimientos de calibración simplificados en la industria hasta sistemas de medición móviles y estándares portátiles para la investigación sobre el terreno o en el espacio. Mariela Menghini, de IMDEA Nanociencia, resume: «La colaboración internacional, en la que participaron tres institutos nacionales de metrología europeos, fue una auténtica proeza que reunió a expertos en ciencia de los materiales, tecnología de memristores y metrología para demostrar que la integración de estándares intrínsecos y cuánticamente precisos en los chips de próxima generación ya no es un objetivo lejano, sino una realidad emergente».

Este trabajo se ha llevado a cabo en el Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (Turín, Italia), el Forschungszentrum Jülich (Alemania), el Instituto Português da Qualidade (Caparica, Portugal), el Instituto Nacional de Metrología TUBITAK (Gebze, Turquía), la Universitat Autònoma de Barcelona (España), el Politecnico di Torino (Italia) y el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA Nanociencia, España). Ha sido financiado en parte por el proyecto europeo MEMQuD (20FUN06, memqud.inrim.it), que ha recibido financiación del Programa Europeo de Metrología para la Innovación y la Investigación (EMPIR), cofinanciado por los Estados participantes y por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea.

Glosario:

• Memristor: componente eléctrico no lineal de dos terminales, cuya resistencia cambia en función del historial de la corriente que lo atraviesa. Es el cuarto componente eléctrico elemental.
• Cuanto de conductancia G₀: Unidad cuantificada de conductancia eléctrica definida como 2e²/h (e: carga del electrón y h: constante de Planck).
• Trazabilidad: es el proceso de establecer la conexión de una medición con el Sistema Internacional de Unidades (SI) a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones, cada una con una incertidumbre declarada.

Referencia

Gianluca Milano*, Xin Zheng, Fabio Michieletti, Giuseppe Leonetti, Gabriel Caballero, Ilker Oztopra, Luca Boarino, Özgür Bozat, Luca Callegaro, Natascia De Leo, Isabel Godinho, Daniel Granados, Itir Koymen, Mariela Menghini, Enrique Miranda, Luís Ribeiro, Carlo Ricciardi, Jordi Suñe, Vitor Cabral*, Ilia Valov* Intrinsic quantum resistance memristor for SI-traceable standard. Nat. Nanotech. 2025. DOI: 10.1038/s41565-025-02037-5

 Enlace al Repositorio de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/4109 

Contacto:

Dr. Mariela Menghini
Transport in Quantum Materials Group
https://nanociencia.imdea.org/transport-in-quantum-materials/home

Dr. Daniel Granados
Quantum Devices and Photonics
https://nanociencia.imdea.org/quantum-nanodevices/group-home

Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
  

Fuente: IMDEA Nanociencia.

El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.