Учени използват кристали, легирани с редкоземни метали, за да съхраняват данни в атомни мащаби, което позволява оптична памет с висока плътност и ниска консумация на енергия.
Възможността за съхраняване на информация се е развила от перфокартните тъкачни машини до съвременните смартфони. Всеки технологичен напредък е разчитал на дефиниране на състояния - включено или изключено, високо или ниско, дупка или равна повърхност - за кодиране на данни. Досега физическият размер на тези елементи за съхранение ограничаваше капацитета им.
Изследователи от Училището по молекулярно инженерство „Прицкер“ към Чикагския университет са разработили метод за съхраняване на данни в атомен мащаб, като използват дефекти в кристали, легирани с редкоземни метали, като единици памет.
„Всяка клетка памет е един липсващ атом - един дефект“, обяснява Тиен Джун (Tian Zhong), асистент в университета. „Сега може да се съберат терабайти от битове в малък куб от материал с размер само един милиметър."
Това откритие, публикувано в Nanophotonics, използва оптичните свойства на материали, легирани с лантаниди, за създаване на памет с висока плътност. То представлява сливане на класическите изчисления с вдъхновени от квантовите технологии, проправяйки пътя за ефективно и мащабируемо съхранение на данни.
Редкоземни елементи и кристални дефекти
Редкоземните елементи, наричани още лантаниди, имат уникални оптични свойства, които ги правят идеални за приложения в лазери, дисплеи и квантови компютри. Често срещан носител на тези елементи е итриевият оксид (Y₂O₃), стабилен метален оксид с добре дефинирана структура на решетката. В тази матрица йоните на редките метали заместват съставните атоми, образувайки цветни центрове.
Металните оксиди обаче по своята същност съдържат дефекти на решетката, като липсващи кислородни атоми или промеждутъчни кислородни атоми. Тези дефекти могат да задържат електрони и дупки, създавайки стабилни зарядни състояния, които влияят върху електронното и оптичното поведение на материала. Плътността на тези капани за заряд зависи от методите на синтез, условията на растеж и обработката след растежа.
В приложенията за квантова информация тези дефекти биха създали проблеми. Те внасят заряден шум, който влияе на квантовата кохерентност на редкоземните йони, използвани като квантови памети или излъчватели. Оптичната спектрална дифузия, например, увеличава ширината на линията на редкоземните йони поради взаимодействието с флуктуиращи зарядни състояния. Този ефект е особено забележим в нанофотонни структури като вълноводи и каверни.
За да преодолеят тези проблеми, изследователите са разработили оптична спектроскопия с улавяне на заряд (OCT) - техника, която позволява прецизен контрол на дефектите, улавящи заряд. Чрез манипулиране на зарядните състояния този метод намалява локалния зарядов шум, подобрявайки оптичната кохерентност и позволявайки оптично съхранение с висока плътност.
Оптично улавяне на заряд и кодиране на паметта
Експерименталният процес започва със зареждане на образеца с помощта на оптично осветяване при определени енергийни нива. След това плътността на улавяне на заряда се измерва чрез оптично стимулирана луминесценция (OSL) - явление, при което уловените електрони се рекомбинират, когато са стимулирани от светлина. OSL се използва широко в дозиметрията на луминесценцията, устойчивите луминесцентни луминофори и оптичните системи за съхранение.
Използвайки празеодим (Pr³⁺), легиран с Y₂O₃, изследователите демонстрират, че оптичният заряд се осъществява по два основни пътя:
- Междулентови преходи при ултравиолетово (UV) възбуждане при 215 nm
- 4f-5d оптични преходи при 275 nm в Pr³⁺ йони
Схематична настройка за PL/PLE спектроскопия и отчитане на TL/OSL емисии, както и времева последователност на OCT измерването. Кредит: Nanophotonics
И двата процеса са високоефективни, като се нуждаят от оптичен интензитет от едва 5 µW/cm². Този оптичен контрол с ниска мощност позволява манипулиране на заряда при поискване, което е решаващ фактор за мащабируеми приложения за съхранение.
За разлика от традиционния метод за съхранение на памет, който разчита на електрически сигнали, тази технология кодира информация чрез състояния на заряд в дефекти от атомен мащаб. Зареденият дефект представлява „1“, докато незареденият дефект представлява „0“. Това позволява на един милиметров куб от материал да побере милиарди класически битове памет.
От радиационна дозиметрия до запаметяване на данни, вдъхновено от квантите
Това изследване се появи от неочакван източник: радиационната дозиметрия. Водещият автор Леонардо Франса (Leonardo França), постдокторант в лабораторията на Джун, първоначално изучава материали, които съхраняват данни за радиационно облъчване за медицински и промишлени приложения. В болниците и синхротроните дозиметрите проследяват нивата на радиация чрез улавяне на двойки електрон-дупка в кристални дефекти.
„В болниците и ускорителите на частици е важно да се следи колко радиация получават хората“, обяснява Франса. „Някои материали поглъщат радиацията и съхраняват тази информация за определен период от време."
OCT спектър, изобразен като топлинна карта. Използваната оптична мощност за зареждане е 300 nW за 60 s. Размер на стъпката и ширина на зарядната линия: 5 nm. Кредит: Nanophotonics
Той открива, че осветяването на тези материали може да освободи съхранените електрони, ефективно „прочитайки“ записаните данни. Това откритие го накарало да проучи потенциала им за съхраняване на данни, запълвайки пропастта между дозиметрията и микроелектронната памет.
Чрез включване на вдъхновени от квантовата теория технологии екипът разработва система за енергонезависима оптична памет, която съчетава принципи както от класическата, така и от квантовата информатика. За разлика от квантовите изчисления, които разчитат на заплетени кубити, тази система остава твърдо в класическата област на физиката, като същевременно се възползва от прецизността на квантово ниво при контрола на дефектите.
„Ние създаваме нов тип микроелектронно устройство, основано на квантова технология“, заявява Джун.
Бъдеще за оптичното съхранение с висока плътност
Традиционните устройства за съхранение на памет, като например твърдите дискове и флаш паметта, достигат физически и термични ограничения. Допълнителното свиване на транзисторите става все по-трудно поради квантовите тунелни ефекти в наномащаб.
Динамичен обхват на процеса на зареждане и повтарящо се OSL четене. Кредит: Nanophotonics
Чрез използването на кристали, легирани с редкоземни елементи, изследователите са въвели алтернативен носител на информация с несравнима плътност и стабилност. Тъй като процесът на улавяне на заряда разчита на оптични средства, а не на електрически токове, тези устройства биха могли да работят и с по-ниска консумация на енергия и по-голяма дълготрайност.
Подходът е изключително адаптивен. Въпреки че в изследването е използван Pr³⁺ в Y₂O₃ носител, могат да се използват и други редкоземни йони и кристални матрици, което позволява адаптиране към различни оптични свойства и изисквания за съхранение.
„Добре известно е, че редкоземните елементи представляват специфични електронни преходи, които позволяват да се избере дължина на вълната на лазерното възбуждане от ултравиолетовия до близкия инфрачервен режим“, посочва Франса.
Тази гъвкавост дава възможност за персонализирани решения за следващото поколение оптична памет и фотонни компютърни приложения. При по-нататъшно усъвършенстване улавянето на заряди в атомен мащаб може да доведе до революция в начина на съхранение на данни - от персонални устройства до широкомащабно съхранение в облака.
„В рамките на този милиметров куб демонстрирахме, че има поне един милиард класически памети - традиционни памети, базирани на атоми“, заявява Джун.
Чрез използването на дефекти, които естествено съществуват в кристалните материали, тази работа превръща несъвършенствата в мощно предимство за съхранение на данни. С нарастващото търсене на компактни и ефективни решения за памет, кристалите, легирани с редкоземни метали, могат да бъдат ключът към преодоляване на традиционните ограничения.
Справка: França, Leonardo V. S., Doshi, Shaan, Zhang, Haitao and Zhong, Tian. „All-optical control of charge-trapping defects in rare-earth doped oxides“ Nanophotonics, 2025. https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0635
Източник: Millimeter-sized rare-earth crystal can hold terabytes of data, TheBrighterSide
