通讯作者： Gianluca Milano, Vitor Cabral & Ilia Valov
通讯单位：意大利国家计量院，葡萄牙质量研究所（Instituto Português da Qualidade），德国彼得·格林贝格研究所,保加利亚科学院电化学与能源系统研究所
DOI：10.1038/s41565-025-02037-5
研究背景
确保人类知识各领域测量的可靠性与准确性，对于保障科学技术正常运转、提升日常活动舒适度与品质有重要作用。为实现这一目标，各国国家计量机构负责建立、研发并维护测量单位的主要基准。在电学计量领域，量子霍尔效应、约瑟夫森效应和单电子输运效应等量子现象，已分别被广泛应用于电阻、电压和电流单位的实际复现。尽管基于这些量子现象的计量器件已展现出卓越性能，但其庞大的实验装置和复杂的测量流程，导致其实现阶段几乎仅限于高校和计量机构。在SI框架下，基本电导量子G0是一个具有零不确定度固定数值的物理量。因此，任何展现与G0相关物理观测量实验或器件，均可用作电阻标准。虽有研究提出利用忆阻器件中的量子效应来解决电学标准芯片集成化的核心难题，但实验验证至今尚属空白。尽管已有多种方法在忆阻器件中实现量子电导水平，但由于在编程与控制此类量子能级方面缺乏实质性进展，其实际应用仍面临重重阻碍。
研究问题
近期国际单位制（SI）的修订——固定了自然界基本常数的数值——为SI单位的实际实现开辟了新视角。本文展示了一种基于忆阻纳米离子元件的本征电阻标准，该元件在室温空气中运行且终端用户可直接访问。通过将这些器件驱动至量子电导区间并采用基于电化学抛光的编程策略，本文实现了可作为本征标准值的量子电导水平。跨实验室比对证实了计量一致性，与约定SI值相比，基础量子电导G0和2G0的偏差分别为-3.8%和0.6%。这些成果为在芯片上实现国家计量机构服务、开发零链条溯源的自校准测量系统奠定了基础。
图1| 片上NMI
要点：
1.图1a展示了传统电阻测量溯源链的典型示例。基于量子霍尔效应（QHE）建立的电阻基准标准（具有最高计量特性的标准）已发展数十年，其理论基础为冯·克利青常数RK。值得注意的是，量子反常霍尔效应在计量学中的潜在应用近期已得到验证，该效应可实现零外磁场条件下的电阻标准，但仍需在低温（约35毫开）和真空环境中运行。现有溯源链依赖于将基于QHE的基准标准与一级标准电阻器进行比对，再用后者校准多功能校准仪或数字万用表等二级工作标准。溯源链的每个环节都会导致测量不确定度U的增加，最终用户可能使用的万用表精度仅为1%量级。
2.由于各测量标准器可能因工作时长、环境条件和/或使用频次产生漂移，溯源链中的每次校准都需定期重复，这意味着高昂成本、设备长期不可用以及繁琐的管理流程。此外，QHE基准方法需要昂贵复杂的系统，必须在真空环境、极低温（约1开尔文）和强磁场（6-12特斯拉）下运行。而忆阻纳米离子器件能在室温大气环境中呈现量子电导效应，其电导值为基础量子电导的整数倍，且可集成于芯片之上，因此是作为本征电阻标准的理想候选。在此背景下，忆阻器件使得"芯片上的国家计量机构"成为可能，无需上述传统溯源链，可实现嵌入本征标准且无需校准的自校准系统（图1b）。
图2|通过电化学抛光稳定的量子电导平台
要点：
1.基于氧化还原反应的忆阻器件是一种两端纳米离子器件，其结构由两层金属电极夹持离子导电（开关）薄膜构成。这类元件的运作原理和功能依赖于在外加电场作用下，薄膜内纳米尺寸导电细丝的形成与断裂所引发的电阻开关效应。随着纳米金属晶须的逐渐生长，在短路条件下可观测到量子点接触的形成。这种现象通常发生在SET过程（即器件从高阻态转为低阻态的过程）中——该过程由电化学驱动，但具有极高电流密度和强电场特性（图2a）。由于细丝生长过程中尖端与电极表面间距呈指数级缩小，工作时的电场强度会持续增强直至形成金属接触。在此极端条件下，实际控制细丝生长过程极为困难，导致形成接触点的形状、微枝晶/针状体数量及有效面积具有高度随机性。因此，量子点接触的形成极难预测，且在苛刻条件下会形成过粗的细丝。这导致SET过程中形成的量子点接触不仅阻值波动大，即使采用低电压电流仍极不稳定。
2.本文创新性地提出在Ag/SiO2/Pt器件的RESET过程（即器件从低阻态转为高阻态的过程）中，利用电化学抛光效应形成量子点接触。为在RESET操作中获得可靠量子点接触，本文在形成粗大细丝的SET过程后，施加一系列精确调控的电压：其强度需足以氧化/溶解细丝中能量不稳定的原子及接触构型中的周边纳米针状体，同时确保不破坏更稳定的核心原子（图2b）。该方法虽存在焦耳热效应，但避免了高法拉第电流和离子反应与传输的电场加速，最终实现更具重现性的量子点接触。在部分RESET过程中，既不断开接触也不完全溶解细丝，而是通过逐步收窄细丝使电导降至G<10G0，这与突变的SET过程截然相反（图2c）。在部分RESET机制下，阶梯式电导变化对应G0的整数倍（图2d）。值得注意的是，通过电化学抛光制备的量子电导态即使在负电压持续增加条件下仍能保持数十秒稳定（图2d插图），相较于SET过程实现的量子点接触展现出更高稳定性。因此，电化学抛光技术可实现对稳定量子点接触能级的精准调控，满足开发量子电阻标准的需求。
图3| 量子电导水平及其不确定度构成
要点：
1.与传统存内计算编程方案不同，本文采用的编程-验证方法并非精细调节器件电阻，而是在检查是否达到目标量子电导水平的同时引导器件进入量子电导工作区间。值得注意的是，基于约瑟夫森效应的直流电压标准实际实现中也采用类似编程-验证方法来选择参考标准电压值。图3a展示了在室温大气环境中通过编程-验证方法分别将器件编程至G1和G2电导值（对应G0和2G0量子态）的实例。该方法可实现长达16,000秒的量子电导水平维持。
2.图3b,c分别显示所有实验室在G2和G1标准差分布方面具有良好重复性。标准差未随测量时间间隔呈现显著变化趋势，表明基于100秒内短间隔连续测量即可评估重复性对测量结果的贡献。这意味着实际应用中可通过忆阻单元的可编程特性，在需要时按需编程至目标量子电导水平，无需依赖细丝的长期稳定性。
3.图3d呈现了各参与机构测量均值的平均值及对应标准差，显示所有实验室编程量子水平具有可比复现性。数据显示G1和G2结果与预期G0和2G0量子值统计一致，实验室间标准差可忽略不计，表明实验室间差异远小于量子台阶复现性相关变异。此外，周期间变异主导了器件间变异。周期间变异可归因于纳米细丝重构的特殊动态轨迹导致量子点接触处原子构型微差异，引发G0整数倍附近的量子电导水平波动，这与前期研究结论一致。类似地，机械可控断裂结研究也曾观察到G0整数倍的微小偏差现象。
图4| 电阻标准
要点：
1.根据各参与机构对量子电导平台的研究结果，本文确定了共识值Gcons及其对应的扩展不确定度U(Gcons)。建立共识值的目的在于探究与精确量子化值之间可能存在的系统偏差。本文采用各参与机构测量值的加权平均数作为Gcons的估计值，同时基于各机构的合成不确定度计算出共识值的合成不确定度U(Gcons)——这些不确定度已涵盖前文讨论的所有不确定度来源，并采用95%置信水平的包含因子k进行计算。归一化误差En用于表征各参与机构的测量结果与共识值之间的一致性。
2.图4a和4b分别展示了所有实验室对G1和G2量子能级的测量均值及对应扩展不确定度，以及相对于共识值的归一化误差。通过评估|En|值（所有参与机构均≤1.0）可知，测量的电导值均属于一致性数据集（图4a,b右侧）。经计算，G1和G2的共识值分别为(0.962±0.043)G0和(2.012±0.051)G0。结果表明，G1和G2的共识值相对于预期SI值G0和2G0的误差分别为-3.8%和0.6%。综上所述，共识值与SI值具有一致性，因为其偏离量完全在扩展测量不确定度的覆盖范围内。
总结与展望
本研究展示了一种基于量子物理原理的本征可编程电阻标准。尽管相较于基于量子霍尔效应的传统标准存在较高不确定度，但该标准能在常温大气环境中工作，并可微型化至纳米尺度。该标准具有低工作电压（读数操作时约10毫伏量级）和低工作电流（约1微安量级）的显著优势，特别适合实际应用。值得指出的是，即使细丝形成/断裂所依赖的电化学过程受温度影响，理论上量子点接触产生的量子电导电子传输现象不受温度影响，原则上器件在不同温度下运行时物理观测值的溯源性不会改变。这些特性使得本征量子电阻/电导标准的实现成为可能，可应用于现有溯源链的末端层级，并能直接集成于芯片，为电学量计量溯源开辟了新途径。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-025-02037-5
