记忆电阻器:一种新的电子元件

在探寻科学规律和制造各种先进设备的道路上，很多理论、设备开始时总不是那么完美，人类进化的化石证据、元素周期表、计算机等都是如此。不过，人类的科学事业正是在创新和完善中不断发展的。

青年工程师的猜想

1971年，蔡少棠还是美国加州大学克利伯分校的一位名不见经传的电子工程师。他自小对数学有浓厚的兴趣，喜欢对电子元器件理论进行数学推导。在他的笔记本里，布满了一个个数学等式。这些等式中，从变压器到输电线路，从晶体管到电容器，都成了一串串数学符号。

电子产品是由电阻器、电容器和电感器组合联接而成的。蔡少棠研究电路的四个基本参数中第一个就是电荷。电荷随时间发生改变就是电流，电流流经导体会产生磁场，这就产生了第三个变量：磁通量，它表示磁场的强弱。磁通量随时间的改变，便产生了电压。从数学的角度分析，4个相互关联的变量可以用6种方式联系起来：电荷与电量、磁通量与电压，还有3种分别与3种传统电路元件有关：电阻器的工作原理是通过电流产生电压，电容器是给它定量的电压储存一定的电量，电流通过电感器产生磁通量。这就构成了5种关联方式，那么第6种呢?按蔡少棠的推导，应是电荷与磁通量形成的参数。但在传统的电路里，这个物理量没有了，因为它缺少表现这个物理量的元件，即连接电荷与磁通量的元件。

什么样的元件能将电荷与磁通量连接起来?蔡少棠冥思苦想，3个传统元件和它们的任意组合，都不能表现这样的物理量，应当有一种全新的元件。这种新元件应类似电阻器，能产生电压，而且运行的方式与电阻器完全不同。经过计算，蔡少棠推断出一个有记忆能力的新元件，它能记住以先前流经过它的电流。他大胆地提出了“记忆电阻器”这个新概念，并发表了论文《忆阻器：下落不明的电路元件》，引起了物理学界的轰动。但限于当时的技术条件，科学家找不出同时具有阻抗和记忆功能的材料，无法生产出这样式的元件。因此蔡少棠的“记忆电阻器”在热闹了一阵后便“下落不明”了，他也因而转向了其他理论研究。

37年后的解铃人

37年后的2008年，美国惠普实验室的高级研究员斯坦・威廉斯在《自然》杂志发表了一篇论文：《寻获下落不明的忆阻器》，证明了记忆电阻器是存在的。

斯坦・威廉斯发现自己的研究项目同前辈蔡少棠的想法不谋而合，同前辈交流后，他获益匪浅，信心大增，决心研制这种新元件。他与同伴用纳米材料做实验：把两个二氧化钛电阻加以重叠，做成反应快、耗能低的开关，让通过电阻的电流和另一个电阻中的电流进行转换。经过几年的努力，终于制造出具有记忆功能的忆阻器模型。这种元件将一层纳米级的二氧化钛半导体薄膜夹在两个由铂制成的金属薄片之间，是一只仅一根头发丝万分之一的微型“三明治”，仅有5纳米大小，要在电子显微镜下方能看清它有结构。

二氧化钛是一种半导体，当它被加热时，氧原子从结构中被驱逐出去，只留下一些“带电气泡”使材料有了半导体的性质。由于上层电阻是纯半导体，下层是缺失氧原子的导体，向开关施加电压时，导体中的“带电气泡”从下层向上层移动，大大降低了半导体的电阻，使它变成了完美的导体。这时从另一个方向，像“旋转木马”似的“带电气泡”则流向了下层，使上层电阻回复到高电阻的半导体状态。当电压切断后，“旋转木马”停止运转，电阻不再发生变化。但当电压再次接通时，系统会“记住”之前的物理状态，从先前的电阻状态中被唤醒。

忆阻器可以记忆流经它的电荷数量，其中的秘密则在于原子级的移动，只有纳米材料的元器件才能实现，这也是之前30多年间，科学家无法制造出忆阻器的原因。

广阔的应用前景

电脑芯片是用晶体管组成的集成电路，它存贮着由字节构成的信息。在忆阻器之前，工程师们却不知道他们模拟的正是忆阻器的功能。现在看来，只要有记忆电阻器元件，就能顶替集成电路工程师们所做的―切。

忆阻器关闭电源后仍有记忆数据的能力，将挑战目前普遍使用的闪存。惠普公司用这项新发现制成的晶片比今日的闪存记忆信息更快，消耗电力更少，占用空间更少。这将会使照相机和U盘储存量更大、更快速。忆阻器还可让手机在使用几周或更久时间后无需充电，这比新型的高性能手机电池更有吸引力。它也可使笔记本电脑在电池电量耗尽或突然断电后仍能保存信息。但现在的忆阻器读写寿命只有一万次左右，用得再多会因内部原子的活动而崩溃，因此它要长寿，才能更实用。

科学家们对这一新生电子元器件充满着期待，正设法寻找延长它寿命的途径。威廉斯相信，只要解决忆阻器的寿命问题，它就可以应用于硬盘。用忆阻器硬件制造的仿人类大脑的计算机的功能也会更强大，“思考”也更灵活，运行程序速度也会是现在的几千甚至几百万倍。忆阻器电路电脑能理解以往搜集数据的方式，这类似于人类大脑，在搜索保存的数据时将更智能化。例如，根据以往搜集到的信息，忆阻器电路可以告诉你一台微波炉加热不同食物的时间，因为它已记住了以往加热食物的过程。

努力向实用电器靠近

专家们认为，投资忆阻器电路设计比建造计算机工厂要昂贵得多，而且目前的忆阻器的模型还很原始，也还没有设计出制造忆阻器的各种工具。但囿于智能电脑研究进展缓慢，很多投资家和专家很看妤忆阻器这一创新电子器件。研究人员预测，忆阻器电子产品说不定不用5年，就可能投入商业应用，带来丰厚的回报。

美国主管科学研究的高级官员表示，忆阻器的发明是人工智能新纪元即将到来的信号。最近，惠普研究所已与波士顿大学合作，开发出能复制大脑思维的晶体管、忆阻器混合型芯片。惠普的另一个科学家小组用忆阻器原理研制的人造记忆神经突触，能同真的神经突触一比高低。在实验演示中，人造记忆神经突触的反应速度、选择性和兼容性，与真神经突触难分伯仲。

已是资深的老科学家的蔡少棠教授最近提出了他的新观点：如果把忆阻器的特性和电容器、电感器的特性综合起来，制造出记忆电容器或记忆电感器，用途将更广泛。威廉斯研究小组根据蔡少棠的理论，已经研制出第一个记忆电容器样品。相信记忆电阻器这一科研成果很快就会服务于工作和生活，给人类带来方便。