Avance inspirado en la mecánica cuántica convierte espacios en cristales en almacenamiento de terabytes para la memoria clásica

14 de febrero de 2025

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han destacado los siguientes atributos mientras garantizaban la credibilidad del contenido:

• verificación de datos
• fuente confiable
• corrección de pruebas

por Paul Dailing, Universidad de Chicago

Desde telares operados con tarjetas perforadas en el siglo XIX hasta los teléfonos celulares modernos, si un objeto tiene un estado 'encendido' y un estado 'apagado', se puede utilizar para almacenar información.

En una computadora portátil, los unos y ceros binarios son transistores que funcionan a baja o alta tensión. En un disco compacto, el uno es un punto donde un pequeño 'pozo' hundido se convierte en un 'terreno' plano o viceversa, mientras que el cero es cuando no hay cambios.

Históricamente, el tamaño del objeto que hace los 'unos' y 'ceros' ha puesto un límite en el tamaño del dispositivo de almacenamiento. Pero ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (UChicago PME) han explorado una técnica para producir unos y ceros a partir de defectos cristalinos, cada uno del tamaño de un átomo individual para aplicaciones de memoria de computadoras clásicas.

Su investigación fue publicada hoy en Nanofotónica.

'Cada celda de memoria es un átomo faltante individual, un defecto único,' dijo el Prof. Asist. de UChicago PME, Tian Zhong. 'Ahora puedes empacar terabytes de bits dentro de un pequeño cubo de material que solo tiene un milímetro de tamaño.'

La innovación es un verdadero ejemplo de la investigación interdisciplinaria de UChicago PME, que utiliza técnicas cuánticas para revolucionar las computadoras clásicas no cuánticas y convertir la investigación sobre dosímetros de radiación, más conocidos como los dispositivos que almacenan cuánta radiación absorben los trabajadores del hospital de las máquinas de rayos X, en un revolucionario almacenamiento de memoria microelectrónica.

'Encontramos una manera de integrar la física del estado sólido aplicada a la dosimetría de radiación con un grupo de investigación que trabaja intensamente en cuántica, aunque nuestro trabajo no es exactamente cuántico,' dijo el primer autor Leonardo França, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhong. 'Hay una demanda de personas que están investigando en sistemas cuánticos, pero al mismo tiempo, hay una demanda de mejorar la capacidad de almacenamiento de memorias no volátiles clásicas. Y es en esta interfaz entre el almacenamiento de datos cuánticos y ópticos donde se fundamenta nuestro trabajo.'

La investigación comenzó durante la investigación de doctorado de França en la Universidad de São Paulo en Brasil. Estaba estudiando dosímetros de radiación, los dispositivos que monitorean de forma pasiva cuánta radiación reciben los trabajadores en hospitales, sincrotrones y otras instalaciones de radiación en el trabajo.

'En los hospitales y en aceleradores de partículas, por ejemplo, es necesario monitorear cuánta dosis de radiación están expuestos las personas,' dijo França. 'Hay algunos materiales que tienen la capacidad de absorber radiación y almacenar esa información por un período de tiempo.'

Pronto se sintió fascinado por cómo a través de técnicas ópticas, al iluminar, podía manipular y 'leer' esa información.

'Cuando el cristal absorbe suficiente energía, libera electrones y huecos. Y estas cargas son capturadas por los defectos,' dijo França. 'Podemos leer esa información. Puedes liberar los electrones, y podemos leer la información mediante medios ópticos.'

França pronto vio el potencial para el almacenamiento de memoria. Llevó este trabajo no cuántico al laboratorio cuántico de Zhong para crear una innovación interdisciplinaria utilizando técnicas cuánticas para construir memorias clásicas.

'Estamos creando un nuevo tipo de dispositivo microelectrónico, una tecnología inspirada en lo cuántico,' dijo Zhong.

Descubre lo último en ciencia, tecnología y espacio con más de 100,000 suscriptores que confían en Phys.org para obtener información diaria. Regístrate para nuestro boletín gratuito y recibe actualizaciones sobre avances, innovaciones e investigaciones que importan, diariamente o semanalmente.

Para crear la nueva técnica de almacenamiento de memoria, el equipo agregó iones de 'tierras raras', un grupo de elementos también conocidos como lantánidos, a un cristal.

Específicamente, utilizaron un elemento de tierras raras llamado Praseodimio y un cristal de óxido de itrio, pero el proceso que informaron podría usarse con una variedad de materiales, aprovechando las potentes y flexibles propiedades ópticas de las tierras raras.

'Es bien sabido que las tierras raras presentan transiciones electrónicas específicas que le permiten elegir longitudes de onda de excitación láser específicas para el control óptico, desde UV hasta regímenes de infrarrojo cercano,' dijo França.

A diferencia de los dosímetros, que suelen activarse con rayos X o rayos gamma, aquí el dispositivo de almacenamiento se activa con un simple láser ultravioleta. El láser estimula a los lantánidos, que a su vez liberan electrones. Los electrones quedan atrapados por algunos de los defectos del cristal de óxido, por ejemplo, los huecos individuales en la estructura donde debería haber un átomo de oxígeno, pero no lo hay.

'Es imposible encontrar cristales, ya sean naturales o artificiales, que no tengan defectos', dijo França. 'Así que lo que estamos haciendo es aprovechar estos defectos.'

Aunque estos defectos en los cristales a menudo se utilizan en la investigación cuántica, entrelazados para crear 'qubits' en gemas desde diamante estirado hasta espinela, el equipo de UChicago PME encontró otro uso. Pudieron guiar cuándo los defectos estaban cargados y cuáles no lo estaban. Al designar un espacio cargado como 'uno' y un espacio sin cargar como 'cero', pudieron convertir el cristal en un potente dispositivo de almacenamiento de memoria en una escala nunca vista en la computación clásica.

'Dentro de ese cubo milimétrico, demostramos que hay al menos mil millones de estos recuerdos, recuerdos clásicos, tradicionales, basados en átomos', dijo Zhong.

Más información: 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

Proporcionado por Universidad de Chicago