Майбутнє зберігання даних: учені навчилися записувати трильйони бітів у дрібному кристалі

Революція у зберіганні даних

Зберігання даних завжди базувалося на простому принципі: об'єкт, який перемикається між "увімкненим" і "вимкненим" станом, може використовуватися для зберігання інформації. У сучасних комп'ютерах двійковий код – одиниці та нулі – приймає різні фізичні форми. Транзистори представляють ці стани, працюючи при високій або низькій напрузі. На компакт-диску "одиниця" з'являється там, де крихітна поглиблена ямка переходить у рівну поверхню, тоді як "нуль" – це область без змін, повідомляє 24 Канал з посиланням на дослідження, опубліковане в Nanophotonics.

Традиційно фізичний розмір цих двійкових компонентів обмежував обсяг даних, який може зберігати пристрій. Тепер дослідники з Прітцкерської школи молекулярної інженерії Чиказького університету (UChicago PME) розробили метод кодування одиниць і нулів за допомогою кристалічних дефектів — недосконалостей на атомному рівні. Цей прорив може значно збільшити ємність комп'ютерної пам'яті, оскільки навіть на одному квадратному міліметрі простору можуть вміститися трильйони атомів.

Як це працює

Кожна комірка пам'яті – це один відсутній атом, один дефект. Тепер ви можете упакувати терабайти бітів у невеликому кубі матеріалу розміром лише в міліметр,
– каже доцент Чиказького фізико-технічного університету Тянь Чжун.

Це дослідження почалося під час захисту докторської дисертації одного з винахідників, Леонардо Франси. Він вивчав дозиметри – прилади, які фіксують, скільки радіації отримують працівники лікарень, синхротронів та інших радіаційних установок під час роботи.

"У лікарнях та прискорювачах елементарних частинок, наприклад, необхідно відстежувати, яку дозу радіації отримують люди. Існують матеріали, які мають здатність поглинати радіацію і зберігати цю інформацію протягом певного часу", – каже Франса.

Незабаром він захопився тим, як за допомогою оптичних методів, тобто освітлення, можна маніпулювати й "читати" цю інформацію.

"Коли кристал поглинає достатню кількість енергії, він вивільняє електрони та отвори. І ці заряди захоплюються дефектами. Ми можемо зчитувати цю інформацію. Ви можете випустити електрони, і ми зможемо прочитати інформацію за допомогою оптичних засобів", – додав учений.

Незабаром Франса побачив потенціал для зберігання пам'яті. Він приніс цю неквантову роботу до квантової лабораторії Тянь Чжуна, щоб створити міждисциплінарну інновацію з використанням квантових методів для побудови класичної пам'яті.

"Ми створюємо новий тип мікроелектронного пристрою, технологію, натхненну квантовими технологіями", – сказав Чжун.

Для створення нової технології зберігання даних команда додала іони "рідкоземельних елементів", групи елементів, також відомих як лантаноїди, до кристалу. Зокрема, вони використовували рідкоземельний елемент під назвою празеодим та кристал оксиду ітрію, але процес, про який вони повідомили, може бути виконаний з різними матеріалами, використовуючи переваги потужних, гнучких оптичних властивостей рідкоземельних елементів.

"Добре відомо, що рідкісноземельні елементи мають специфічні електронні переходи, які дозволяють вибирати певні довжини хвиль лазерного збудження для оптичного контролю, від ультрафіолетового до ближнього інфрачервоного діапазону", – говорить Леонардо Франса.

На відміну від дозиметрів, які зазвичай активуються рентгенівськими або гамма-променями, пристрій зберігання даних активується простим ультрафіолетовим лазером. Лазер стимулює лантаноїди, які, своєю чергою, вивільняють електрони. Електрони затримуються деякими дефектами оксидного кристала, наприклад, окремими прогалинами в структурі, де мав би бути один атом кисню, але його немає. У природі неможливо знайти кристали, які б не мали дефектів. Тому їх усі можна використати для запису, навіть якщо це штучно створені кристали.

Хоча кристалічні дефекти часто використовуються у квантових дослідженнях для створення "кубітів" у дорогоцінних каменях, команда з Чикаго знайшла їм інше застосування. Вони змогли визначити, коли дефекти заряджені, а коли ні. Позначивши заряджену прогалину як "одиницю", а незаряджену "нулем", вони змогли перетворити кристал на пристрій зберігання пам'яті в масштабі, небаченому в класичних обчисленнях.