Quanteninspirierte Fortschritte verwandeln Kristalllücken in Terabyte-Speicher für den klassischen Speicher.

14. Februar 2025

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Von Paul Dailing, Universität Chicago

Von Lochkarten-gesteuerten Webstühlen im 19. Jahrhundert bis hin zu modernen Handys, wenn ein Objekt einen 'An' und einen 'Aus' Zustand hat, kann es zur Speicherung von Informationen genutzt werden.

In einem Computer-Laptop sind die binären Einsen und Nullen Transistoren, die entweder bei niedriger oder hoher Spannung arbeiten. Auf einer Compact Disc ist die Eins eine Stelle, an der eine winzige eingedellte 'Vertiefung' sich in ein flaches 'Land' oder umgekehrt verwandelt, während die Null bedeutet, dass keine Veränderung vorliegt.

In der Geschichte hat die Größe des Objekts, das die 'Einsen' und 'Nullen' macht, eine Grenze für die Größe des Speichergeräts gesetzt. Aber jetzt haben Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) eine Technik erforscht, um 'Einsen' und 'Nullen' aus Kristallfehlern herzustellen, die jeweils die Größe eines einzelnen Atoms für klassische Computerspeicheranwendungen haben.

Ihre Forschung wurde heute in Nanophotonics veröffentlicht.

'Jede Speicherzelle ist ein einzelnes fehlendes Atom - ein einzelner Defekt', sagte UChicago PME Assistenzprofessor Tian Zhong. 'Jetzt können Sie Terabyte an Bits in einem kleinen Würfel aus Material unterbringen, der nur einen Millimeter groß ist.'

Die Innovation ist ein wahres Beispiel für die interdisziplinäre Forschung der UChicago PME, die Quantentechniken nutzt, um klassische, nicht-quanten Computer zu revolutionieren und die Forschung an Strahlendosimetern - am bekanntesten als Geräte, die speichern, wie viel Strahlung Krankenhausmitarbeiter von Röntgengeräten aufnehmen - in bahnbrechende mikroelektronische Speicherung umzuwandeln.

'Wir haben einen Weg gefunden, Festkörperphysik, die auf Strahlendosimetrie angewendet wird, mit einer Forschungsgruppe zu integrieren, die stark im Bereich der Quantenphysik tätig ist, obwohl unsere Arbeit nicht genau quantenbasiert ist', sagte Erstautor Leonardo França, ein Postdoktorand in Zhongs Labor. 'Es besteht Bedarf an Personen, die an der Erforschung von Quantensystemen beteiligt sind, aber gleichzeitig besteht Bedarf an der Verbesserung der Speicherkapazität von klassischen nichtflüchtigen Speichern. Und genau an dieser Schnittstelle zwischen Quanten- und optischer Datenspeicherung ist unser Werk verankert.'

Die Forschung begann während Franças Promotionsstudium an der Universität São Paulo in Brasilien. Er untersuchte Strahlendosimeter, die passiv überwachen, wie viel Strahlung Arbeiter in Krankenhäusern, Synchrotrons und anderen Strahlungseinrichtungen am Arbeitsplatz ausgesetzt sind.

'In Krankenhäusern und Teilchenbeschleunigern beispielsweise muss gemessen werden, wie viel Strahlungsdosis Personen ausgesetzt sind', sagte França. 'Es gibt Materialien, die die Fähigkeit haben, Strahlung zu absorbieren und diese Informationen für eine bestimmte Zeit zu speichern.'

Bald wurde er von der Möglichkeit fasziniert, durch optische Techniken - durch Bestrahlung mit Licht - diese Informationen zu manipulieren und zu 'lesen'.

'Wenn der Kristall ausreichend Energie aufnimmt, gibt er Elektronen und Löcher ab. Und diese Ladungen werden von den Defekten eingefangen', sagte França. 'Wir können diese Informationen lesen. Sie können die Elektronen freisetzen, und wir können die Informationen optisch ablesen.'

França sah bald das Potenzial für die Speicherung von Informationen. Er brachte diese nichtquantenmäßige Arbeit in Zhongs quantenphysikalisches Labor, um eine interdisziplinäre Innovation zu schaffen, die Quantentechniken nutzt, um klassische Speicher zu bauen.

'Wir entwickeln eine neue Art von Mikroelektronikgerät, eine von der Quantenphysik inspirierte Technologie', sagte Zhong.

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Um die neue Speichertechnik zu erstellen, fügte das Team Ionen von 'Seltenerde', einer Gruppe von Elementen, die auch als Lanthanoide bekannt sind, zu einem Kristall hinzu.

Konkret verwendeten sie ein Seltenerdelement namens Praseodym und einen Yttriumoxid-Kristall, aber der von ihnen berichtete Prozess könnte mit einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, wobei die leistungsstarken und flexiblen optischen Eigenschaften von Seltenerden genutzt werden.

'Es ist bekannt, dass Seltenerden spezifische elektronische Übergänge aufweisen, die es Ihnen ermöglichen, spezifische Laseranregungswellenlängen für die optische Steuerung auszuwählen, von UV bis hin zu nahem Infrarot', sagte França.

Im Gegensatz zu Dosimetern, die in der Regel durch Röntgen- oder Gammastrahlen aktiviert werden, wird das Speichergerät hier durch einen einfachen Ultraviolett-Laser aktiviert. Der Laser regt die Lanthanoide an, die wiederum Elektronen freisetzen. Die Elektronen werden von einigen Defekten des Oxidkristalls gefangen, beispielsweise den einzelnen Zwischenräumen in der Struktur, wo ein einzelnes Sauerstoffatom sein sollte, aber nicht ist.

„Es ist unmöglich, Kristalle – ob in der Natur oder künstliche Kristalle – ohne Defekte zu finden,“ sagte França. „Also nutzen wir diese Defekte aus.“

Während diese Kristalldefekte häufig in der Quantenforschung verwendet werden, um in Edelsteinen von gestrecktem Diamanten bis Spinell ‚Qubits‘ zu erzeugen, fand das UChicago PME-Team eine andere Verwendung. Sie konnten steuern, wann Defekte aufgeladen waren und wann nicht. Indem sie eine aufgeladene Lücke als ‚eins‘ und eine nicht aufgeladene Lücke als ‚null‘ bezeichneten, konnten sie den Kristall in ein leistungsstarkes Speichergerät umwandeln, das im klassischen Computing unbekannt war.

„In diesem Millimeterwürfel haben wir gezeigt, dass es mindestens eine Milliarde dieser Speicher – klassische Speicher, herkömmliche Speicher – basierend auf Atomen gibt,“ sagte Zhong.

Weitere Informationen: Leonardo V. S. França et al, All-optical control of charge-trapping defects in rare-earth doped oxides, Nanophotonics (2025). DOI: 10.1515/nanoph-2024-0635

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