Paul van Gerven
28 May 2008

De champagnekurken knalden begin vorige maand voor ’het vierde elektronische basiselement‘ of zelfs ’de ontbrekende schakel‘. Bijna alle media haalden de memristor van HP Labs binnen als de verloren gewaande broer van condensator, spoel en weerstand die na dertig jaar doodleuk voor de deur stond. Terecht, of het resultaat van een goed geoliede pr-machine en al te enthousiaste journalisten?

’Mijn situatie leek een beetje op die van Dmitri Mendeleev, de uitvinder van het periodiek systeem der elementen‘, vertelt Leon Chua van de Berkeley University of California in EE Times. Mendeleev ontdekte dat als hij de elementen op massa ordende in een tabel en op de juiste plek een nieuwe regel begon, de atoomsoorten met vergelijkbare chemische eigenschappen keurig onder elkaar kwamen te staan. In zijn tijd waren echter nog niet alle elementen bekend, waarvoor hij lege plekken moest vrijhouden. Op basis van hun positie in zijn tabel kon hij zodoende de eigenschappen van nog niet ontdekte atomen voorspellen.

Chua markeerde naar eigen zeggen in 1971 op vergelijkbare manier een lege plek in het ’periodiek systeem der circuitelementen‘. In ’IEEE transactions on circuit theory‘ leidde hij op basis van zuiver wiskundige overwegingen het bestaan af van een vierde circuitelement, naast de bekende condensator, spoel en weerstand. Hij doopte het de memristor, een samentrekking van memory en resistor, verwijzend naar een weerstand met een geheugen. Dat nieuwe element ’onthoudt‘ namelijk de stroom die erdoorheen is gelopen. Om precies te zijn: de weerstand verandert als functie van de stroom die erdoorheen is gelopen.

Onderzoekers van HP Labs claimen nu als eerste deze memristor te hebben gerealiseerd. In Nature (volume 453, editie 7191) publiceerden zij begin mei het artikel ’The missing memristor found‘. In de media volgde een golf van laaiend enthousiasme. En waarom ook niet, het staat toch in Nature? In naam een van de meest toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften, dat moet wel wat zijn.

Helaas, zo transparant is de wereld niet. ’Ik had grote moeite om te ontdekken wat er nu zo nieuw is aan de vinding van HP Labs‘, zegt hoogleraar Halfgeleidercomponenten Jurriaan Schmitz van de Universiteit Twente (UT). ’Leuk om op zondagochtend in het zonnetje te lezen, maar de meerwaarde is mij niet duidelijk‘, zegt zijn collega Anne-Johan Annema, eveneens van de UT. Zij plaatsen vooral stevige kanttekeningen bij de praktische toepassingen die de media voorspiegelen.

Funky

Wat hebben Stan Williams en zijn collega‘s bij HP precies gemaakt? Aan de basis van hun ontdekking staat een vijf nanometer dik laagje titaandioxide, een stof die ook in tandpasta en zonnebrand is terug te vinden. De film is van onder tot boven niet homogeen opgebouwd. Bij het opbrengen zorgden de onderzoekers ervoor dat de hoeveelheid zuurstof langzaam wat afnam, waardoor er een ’tekort‘ aan zuurstof ontstond in een deel van de laag. Titaandioxide geleidt in zuivere toestand nauwelijks, maar als er zuurstofvacatures in het kristalrooster aanwezig zijn, gaan die zich als ladingdragers gedragen. Je zou ook kunnen zeggen dat het titaandioxide gedoteerd is met lege zuurstofplekken. Net als bij silicium en andere halfgeleiders komt dat de geleidbaarheid ten goede.

Onder invloed van een elektrisch veld bewegen de vacancies zich door het titaandioxide. Dit resulteert in een herverdeling, waardoor de weerstand van de laag in zijn geheel verandert. Hoe langer er stroom loopt, hoe groter het effect van de verplaatste ladingdragers. Vandaar het geheugeneffect waaraan Chua en ook Williams en collega‘s refereren.

Dit gedrag van de memristor valt onder de term hysterese, naar het Oud-Griekse ’achterblijven‘. Wie de voorgeschiedenis van een memristor niet kent, kan niet voorspellen hoe deze zal reageren op een elektrisch veld, oftewel hoe de stroomsterkte zich zal ontwikkelen als functie van de tijd. Dat hangt helemaal af van hoe de zuurstofvacatures zich op dat moment verdeeld hebben over het titaandioxide.

Typisch is ook dat wanneer de polariteit van het veld over de titaandioxidelaag wordt omgedraaid, de stroom niet ’hetzelfde pad‘ terug neemt. En als de zuurstofatomen niet meer kúnnen bewegen, gedraagt de film zich opeens als een ’normale‘ weerstand. Kortom, als je niet weet waar je mee bezig bent, is het gedrag van een memristor nogal raadselachtig. ’Zonder Chua‘s vergelijkingen kan je geen chocola maken van dit device, zo‘n funky dingetje is het‘, zei Williams zelf over HP‘s versie van de memristor.

Williams maakt er dan ook geen geheim van dat zijn mensen niet echt op jacht waren naar de memristor, maar zich gaandeweg realiseerden wat ze hadden gefabriceerd. De senior fellow en leider van het Information & Quantum Systems Lab bij HP liet zijn licht schijnen over de abacadabra die zijn collega‘s als meetresultaten te berde brachten. ’Ik zei: ’Jongens, ik weet niet wat we hier in handen hebben, maar dit is wel wat we wíllen hebben.‘‘ Nadat hij de papers van Chua had opgediept, kon hij de metingen duiden. Dat heeft naar eigen zeggen overigens wel een paar jaartjes geduurd.

HP_Crossbar_2

Re-Ram

De ontboezemingen van Williams wekken een beeld op van zwoegende wetenschappers die heroïsch een bijna antieke voorspelling nieuw leven inbliezen. En passant maakte HP daar een meneer op leeftijd nog heel gelukkig mee, aangezien Chua tegen zijn pensioen aanhikt. Ook valt de onbescheidenheid van deze Berkeley-professor wel te vergeven. De briljante ingeving van Mendeleev geldt immers als een van de hoogtepunten van de geschiedenis der natuurwetenschappen – en om jezelf nu op dezelfde hoogte te zetten, dat is nogal wat.

Het is ook niet nodig iets af te dingen op de wetenschappelijke kwaliteit en het vernuft van Chua‘s werk en Williams‘ kroon daarop. ’Chua leidde de memristor af uit de zes relaties die je kunt leggen tussen lading, stroom, spanning en magnetische flux‘, legt universitair docent Dimitri Jeltsema van de vakgroep Wiskundige Systeemtheorie aan de TU Delft uit. ’Twee daarvan liggen vastgelegd in natuurkundige wetten, voor elk van de resterende vier is er een elektrisch tweepolig basiselement. Eentje daarvan bestond tot voor kort slechts op papier.‘ Jeltsema, die zichzelf als theoreticus omschrijft, heeft wel waardering voor de elegante overpeinzingen van Chua. Dat de memristor nu een feit is, komt hem ook prima uit. ’Nu kan ik er eindelijk concreet over zijn als ik mijn college systeemtheorie geef‘, lacht hij.

Maar wat dan te denken van de claim dat memristors eigenlijk allang bestonden. Diverse critici, binnen en buiten de wetenschappelijke wereld, hebben dat Chua en Williams voor de voeten gegooid. En inderdaad, er bestaan verschillende systemen die vergelijkbaar gedrag vertonen als de memristor. Ze zijn zelfs terug te vinden in zoiets eenvoudigs als een tl-buis of een thermistor. ’Deze en andere voorbeelden vallen onder de bredere categorie memresistieve systemen, iets waarover Chua enkele jaren na zijn formulering van de memristor heeft gepubliceerd.‘ Hij deed dat overigens na kritiek die vergelijkbaar is met de huidige, namelijk dat memristors al bestonden. ’De kritiek die nu is losgebarsten, behoeft enige nuancering‘, aldus Jeltsema. ’De fysische realisatie van Williams vormt een passief tweepolig elektrisch element dat voldoet aan de basisdefinitie van de memristor. Dit is een cruciale toevoeging.‘

Aan de andere kant is het geen nieuwe fysica waar de Amerikanen mee op de proppen komen. Het effect is bekend. Sterker nog, de meeste chipmakers proberen het koste wat kost uit de weg te gaan. ’Het enige dat ze hebben gedaan, is een etiket dat al lang en breed vergeten leek te zijn, op een eveneens bekend systeem te plakken‘, zegt Jurriaan Schmitz. ’Nanotechnologen zien heel vaak hysterese in hun metingen. Dat is normaal gesproken alleen maar frustrerend. Het is heel slim van hen om die hindernis te ontwijken en er deze draai aan te geven.‘ Williams zelf ziet dat juist als zijn verdienste. ’Ik heb er een paar oude publicaties bij gepakt en de figuren bestudeerd. En jawel hoor, memristance. De auteurs wisten alleen niet hoe ze dat moesten interpreteren.‘

Schmitz en collega Annema zijn meer mannen van de praktijk dan Jeltsema, en waarschijnlijk daarom toch wat harder in hun oordeel. Zij kunnen frasen als ’de schoolboeken moeten worden herschreven‘ niet waarderen. ’Doe nog maar niet. Theoretisch is het leuk, maar praktisch zie ik er nog niet zo veel in‘, oordeelt Annema. De krasse schoolboekuitspraak valt overigens te herleiden tot het begeleidende commentaar dat Nature aan de HP-publicatie wijdde, niet tot de betrokken onderzoekers zelf. Journalisten hebben er vervolgens dankbaar gebruik van gemaakt in hun koppen en intro‘s.

HP_Crossbar_1
HP gebruikt een grid van kruisende nanodraden om de memristors van stroom te voorzien. Tussen de draden zit het titaandioxide en dus op elk kruispunt zit een memristor.

Hetzelfde Nature-commentaar, dat op naam staat van nanotechnologen James Tour en Tao He uit Houston, wekt ook laakbare verwachtingen voor praktische toepassingen: een spectaculair niet-vluchtig geheugen en zelfs een neuraal netwerk dat lijkt op het menselijk brein. En ook die namen de media klakkeloos over. Ongetwijfeld prikkelend en niet helemaal zonder basis in de realiteit, maar eerst zien en dan geloven, vindt Schmitz. ’Bij Philips heb ik enige tijd de betrouwbaarheid van halfgeleidergeheugens onderzocht. Veel geheugentypen zijn fundamenteel beperkt door slijtage, net als een oplaadbare batterij waar de fut uit raakt. Voordat informatie over duurzaamheid beschikbaar is, kun je zulke claims over een revolutionair nieuw geheugen echt niet op tafel leggen.‘

Zo revolutionair is dat geheugen op basis van de memristor trouwens niet. Het principe is al vaker toegepast: weerstand hoog of weerstand laag als de twee binaire waarden. Faseveranderingsgeheugen werkt bijvoorbeeld ook zo, al gebruikt dat de kristallijnen toestand van een speciale legering als basis, en niet de verdeling van zuurstofvacatures in titaandioxide. Resistance change-Ram (Re-Ram) lijkt er nog veel meer op, en daar zijn overgangsmetaaloxides wél populaire materialen.

’De prevalerende zienswijze lijkt te zijn dat veel bedrijven al jaren werken aan resistieve geheugencellen en dat deze als memristors bestempeld zouden kunnen worden‘, concludeert Ed Korczynski van vakblad Solid State Technology naar aanleiding van een discussie met zijn lezers. Het moge duidelijk zijn dat deze geheugens een dikke R&D-voorsprong hebben op de memristor van HP. Een fantastisch schaalbaar alternatief voor de transistor? A mountain to climb, zeggen de Amerikanen zelf.