Naast weerstand, spoel en condensator is er nu ook de ‘memristor’

Met enige bombarie – een artikel, een juichend commentaar, een nieuwsbericht en een podcast – presenteerde Nature vorige week (1 mei) de ‘memristor’ als nieuw elektronisch basiselement, naast de drie basisonderdelen die al meer dan een eeuw de leerboeken bevolken: de weerstand, de condensator en de spoel.

Die drie zijn ‘passieve’ elementen, die tussen elektrische spanning en stroom een lineair, ofwel exact evenredig verband leggen. Voor de weerstand geldt bijvoorbeeld de wet van Ohm: de spanning is de stroom maal de weerstandswaarde. Naast hun bestaan als tastbaar elektronica-onderdeel spelen deze drie een hoofdrol bij het modelleren van complexere onderdelen en schakelingen.

Alle andere elektronische onderdelen, van transistor en diode tot vacuümbuis, zijn gebaseerd op complexere, niet-lineaire effecten. Een klein spanningsverschil over een transistor kan, afhankelijk van de omstandigheden, een groot effect sorteren, of juist bijna niets.

Toch is er nog een vierde elementair verband mogelijk tussen spanning en stroom, realiseerde de Amerikaanse elektronica-theoreticus Leon Chua zich in 1971. Dat is een elektrische weerstand die afhankelijk is van de tot dan toe doorgestroomde elektrische lading, ofwel een ‘memristor’.

Chua’s element diende vooral een theoretisch belang, bij het modelleren en begrijpen van elektronisch gedrag van halfgeleiders of hersencellen. Maar nu, zevenendertig jaar later, hebben onderzoekers Stanley Williams en collega’s van HP Labs in Palo Alto een element gebouwd dat zich als een bijna perfecte memristor gedraagt. Bovendien leent het zich erg goed voor miniaturisering. Het onderdeel bestaat uit twee metaallaagjes met daartussen een ultradun laagje titaniumoxide van vijf nanometer, niet dikker dan een paar lagen atomen op elkaar gestapeld. Het titaniumoxide heeft bij één van de metaallaagjes een tekort aan zuurstofatomen, waardoor in het kristalrooster hier en daar lege plekken vallen. Zulke ‘gaten’ in het titaniumoxide, van zichzelf een elektrische isolator, helpen stroom te geleiden.

Het memristor-effect zit hem in de verspreiding van deze gaten. Bij het aanleggen van een spanning over de memristor (spanningsverschil tussen de metaallaagjes) verspreiden de gaten zich over het gehele laagje titaniumoxide. Hoe langer de spanning aanhoudt, hoe breder de zone met gaten, waardoor de de memristor als geheel beter geleidt. Dat is precies het verband dat Chua voorspelde.

Een voordeel is dat de memristor ook bij uitschakelen ‘onthoudt’ hoeveel lading er doorheen is gestroomd, wat hem geschikt maakt als minuscuul geheugenelement. Een memristorgeheugen zou bijna zo snel zijn als gewoon computergeheugen, maar zou ook bewaard blijven bij het uitschakelen van de stroom. Ook kan de memristor als weerstand of schakelaar dienen.

Toch lijkt het overdreven om de memristor te begroeten als het langverwachte theoretische ‘amen’ bij de lineaire drie-eenheid weerstand-condensator-spoel. De interessante, voorlopig nog gedroomde toepassingen van de memristor zijn juist gebaseerd op niet-lineaire eigenschappen van het oxide-laagje. Een lineaire memristor zou zich in de praktijk niet anders gedragen dan een een ordinaire elektrische weerstand.

Bruno van Wayenburg