Петабайты на кристалле в несколько миллиметров: ученые изобрели новый способ хранения данных

Американские исследователи разработали способ хранения и считывания данных с отдельных атомов, встроенных в крошечные кристаллы размером в несколько миллиметров.

Масштабирование этой технологии вскоре может открыть путь к сверхплотным системам хранения данных, способным вмещать петабайты информации на одном накопителе. Так, объем в 1 петабайт эквивалентен примерно 5 тыс. фильмов с разрешением 4K.

Кодирование данных в виде единиц и нулей получило распространение с самого начала развития вычислительной техники. Но если раньше для этого использовались носители с электронными лампами, крошечными электронными транзисторами и компакт-диски, углубления на поверхности которых представляли единицы, а гладкие участки — нули, сейчас ученые обращаются к технологиям квантовой физики.

В новой разработке исследователи использовали электрон, захваченный дефектом в кристалле, который представляет собой единицу, тогда как отсутствие электрона — представляет ноль. Таким образом, ученые соединили физику твердых тел с технологиями хранения данных на квантовом уровне.

Эффективность технологии обеспечивается с помощью излучения лазера с определенным количеством энергии, которая приводит электрон в состояние возбуждения. В этот момент считывающее устройство регистрирует наличие света. Отсутствие света свидетельствует об отсутствии захваченного электрона. Такой способ эффективно работает только при наличии в кристалле соответствующих дефектов, в частности таких, как кислородная вакансия и посторонние примеси, превращающие кристалл в полупроводник.

Исследователи использовали ионы редкоземельных металлов в качестве легирующих добавок к материалу, чтобы изменить его свойства. Ключевым был способ возбуждения электрона с помощью иона редкоземельного металла с целью его дальнейшего удержания.

После этого начинается считывание данных. По словам Франса, необходимо использовать другой источник света для освобождения электрона от дефекта, что приводит к перераспределению зарядов и обеспечивает излучение света.

Какие проблемы остаются на пути к созданию передовых устройств для хранения данных

Одной из ключевых проблем представленной технологии остается то, что данные стираются во время считывания информации. Как отмечает Леонардо Франса, частичным решением проблемы является уменьшение количества света, что позволяет ограничить потерю данных.

По его словам, информация со временем исчезала бы, подобно тому, как исчезают данные, которые хранятся на лентах в течение 10-30 лет.

Исследователи использовали редкоземельный элемент празеодим и кристалл оксида иттрия. Однако с тем же успехом можно было бы использовать другие кристаллы  не редкоземельных элементов с другими не легирующими примесями. Преимуществом же именно редкоземельных элементов являются заранее известные длины волн, что позволяет возбуждать электроны с помощью традиционных лазеров.

Первоочередной целью ученых было использование отдельных атомов, встроенных в кристаллы, однако пока она остается не достигнутой. По мнению Леонардо Франса, сейчас разработчики находятся на правильном пути.

Ученый подчеркнул, что интерес к дальнейшим исследованиям обусловлен возможностью масштабировать технологию, которая впоследствии может привести к созданию недорогих устройств для хранения данных в больших объемах. Хорошим в этом является то, что расчеты с использованием лазерных технологий хорошо изучены и не слишком дорогие.

Масштабирование производства соответствующих кристаллов также обещает быть экономически целесообразным. Это позволяет сохранить средства на приобретение редкоземельных элементов и разработку способов управления дефектами в кристаллах. Если имеющиеся проблемы удастся решить, кристалл можно будет создать в виде диска.

По его расчетам, сейчас доступный объем составляет около 260 терабайт. Разработчик добавил, что плотность дефектов можно легко увеличить Это, конечно, приведет к возможности хранения петабайтов данных на одном устройстве размером с диск.

Статья опубликована в журнале Nanophotonics

Источник: LiveScience