量子忆阻器实现室温大气环境下的本征可溯源国际单位制电阻标准

《Nature Nanotechnology》：A quantum resistance memristor for an intrinsically traceable International System of Units standard

本研究针对传统量子电阻标准依赖复杂低温强磁场系统的瓶颈，开发了一种基于纳米离子忆阻器的量子电导标准。通过电化学抛光编程策略，在室温大气环境下实现了G0和2G0量子电导态的稳定控制，国际比对验证其与SI值的偏差分别为-3.8%和0.6%。这项突破为芯片级自校准测量系统提供了零链条溯源新范式，将推动计量服务直接嵌入终端设备。

　　

在计量学领域，确保测量结果的可靠性与准确性始终是支撑科学技术发展的基石。2019年国际单位制（SI）的修订将基本单位定义与自然界基本常数直接关联，为计量学带来了革命性变革。然而在电学计量领域，基于量子霍尔效应（QHE）的电阻标准仍需要极低温（约1K）、强磁场（6-12T）和真空环境等苛刻条件，这种复杂系统通常只能在国家计量院所（NMI）内运行。更棘手的是，传统的量值传递链需要经过多级校准，每增加一环都会引入新的不确定度，最终到达用户端时，手持万用表的准确度可能已衰减至1%量级。这种层层递进的溯源方式不仅成本高昂、周期长，更制约了测量技术在现场检测、远程监测等场景的应用。

为解决这一难题，来自意大利国家计量研究院（INRiM）的Gianluca Milano团队与欧洲多家计量机构合作，在《Nature Nanotechnology》发表了一项突破性研究。他们利用忆阻器（memristor）的量子电导特性，成功研制出可在室温大气环境下工作的本征电阻标准器件。这种纳米离子器件通过巧妙的电化学抛光（electrochemical polishing）控制策略，能够稳定产生以电导量子G₀（约为77.5μS）为基准的电阻值，为实现“芯片上的计量院所”（NMI-on-a-chip）提供了关键技术支撑。

研究团队采用的关键技术方法包括：1）开发Ag/SiO₂/Pt三明治结构忆阻器，通过射频磁控溅射制备高纯度（8N）SiO₂介质层；2）建立基于慢速电压扫描（2mV/s）的电化学抛光编程协议，在RESET过程中实现量子点接触（QPC）的精准调控；3）设计“编程-验证”（program-and-verify）测量流程，通过持续读取电压（10mV）稳定量子电导态；4）组织六家实验室（含三家国家计量院所）开展国际比对，依据ISO17043标准进行不确定性评估。

量子电导态的稳定调控

传统忆阻器的SET过程（从高阻态向低阻态转变）由于极高的电流密度（>10⁹A/cm²）和电场加速（>10⁶V/cm），导致量子电导态的形成具有显著随机性。研究团队创新性地将电化学抛光效应应用于RESET过程：在负向电压扫描中，通过精确控制氧化/溶解速率，优先去除纳米细丝外围的不稳定原子，同时保留核心稳定结构。这种渐进式收缩策略使器件电导呈现G₀整数倍的阶梯式变化，成功实现了从低阻态（LRS）到中间亚稳态（MRS）再到量子点接触的可控转变。实验数据显示，通过1.2mV/s的慢速扫描获得的量子电导平台可稳定维持数十秒，远优于SET过程中形成的瞬态量子态。

国际比对验证计量一致性

为验证该标准的计量学性能，研究组织了涵盖三家国家计量院所和三家学术机构的国际比对。采用统一的测量协议：通过正负电压循环（+1.5V至-0.9V）编程量子态，当连续五次测量值进入G₀±0.5G₀或2G₀±0.5G₀区间时，切换至10mV读取电压进行稳态测量。统计分析表明，G₁和G₂状态的实验重复性（循环间变异）是主要不确定度来源，但各实验室间变异可忽略不计。特别值得注意的是，量子电导态在编程后可稳定维持长达16000秒，为实际应用提供了充足时间窗口。

忆阻器作为电阻标准的性能评估

通过加权平均法建立的共识值G_cons显示，G₁和G₂状态分别为（0.962±0.043）G₀和（2.012±0.051）G₀，与SI参考值的偏差为-3.8%和0.6%。所有参与机构的归一化误差|E_n|均≤1.0，证明数据集具有良好一致性。尽管当前准确度尚未达到国家计量院所初级标准的水平，但其不确定度范围已完全覆盖与SI值的偏差，满足工业现场和远程监测等场景的溯源需求。

这项研究的重要意义在于首次实现了可在室温大气环境下工作的量子电阻标准，打破了传统量子计量技术对极端环境的依赖。其毫伏级工作电压和微安级操作电流使其极易与现有电子系统集成，为开发自校准数字万用表、电阻桥、温度控制器等仪器提供了核心基础。更重要的是，这种“零链条溯源”（zero-chain traceability）模式将彻底改变现有计量体系，使终端设备无需周期性地返回计量机构校准，特别适用于太空探测、海洋监测、地下传感等难以实施传统溯源的场景。研究团队还建立了描述量子电导跃迁的随机行为模型，为后续电路集成设计提供了仿真基础。

尽管仍需通过材料工程、协议优化等途径进一步降低循环间变异，但这项成果无疑为量子计量技术的普惠化应用开辟了新路径。随着芯片级集成技术的成熟，未来我们或许能在智能手机中看到这种量子标准的身影，让每个人都能随时随地享受实验室级别的测量准确度。