L'avancement inspiré par le quantum transforme les lacunes cristallines en stockage téraoctet pour la mémoire classique

14 février 2025

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par Paul Dailing, Université de Chicago

Des métiers à tisser à cartes perforées du 19e siècle aux téléphones portables modernes, si un objet a un état 'allumé' et 'éteint', il peut être utilisé pour stocker des informations.

Dans un ordinateur portable, les uns et les zéros binaires sont des transistors fonctionnant soit à basse soit à haute tension. Sur un disque compact, le un est un endroit où une petite 'fossette' enfoncée se transforme en une 'zone' plate ou vice versa, tandis que le zéro est quand il n'y a pas de changement.

Historiquement, la taille de l'objet générant les 'uns' et les 'zéros' a limité la taille du dispositif de stockage. Mais maintenant, les chercheurs de l'École d'Ingénierie Moléculaire Pritzker de l'Université de Chicago (UChicago PME) ont exploré une technique pour créer des uns et des zéros à partir de défauts de cristal, chacun de la taille d'un atome individuel pour les applications de mémoire informatique classique.

Leur recherche a été publiée aujourd'hui dans Nanophotonics.

'Chaque cellule de mémoire est un seul atome manquant, un seul défaut,' a déclaré le professeur adjoint Tian Zhong de l'UChicago PME. 'Maintenant, vous pouvez stocker des téraoctets de bits dans un petit cube de matériau qui fait seulement un millimètre de taille.'

L'innovation est un vrai exemple de recherche interdisciplinaire de l'UChicago PME, utilisant des techniques quantiques pour révolutionner les ordinateurs classiques non quantiques et transformant la recherche sur les dosimètres de radiation—connus le plus souvent comme les dispositifs qui enregistrent la quantité de radiation absorbée par les travailleurs hospitaliers des machines à rayons X—en pionnier du stockage de mémoire microélectronique.

'Nous avons trouvé un moyen d'intégrer la physique des solides appliquée à la dosimétrie des radiations avec un groupe de recherche qui travaille fortement en quantum, bien que notre travail ne soit pas exactement quantique,' a déclaré le premier auteur Leonardo França, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhong. 'Il y a une demande pour les personnes qui font de la recherche sur des systèmes quantiques, mais en même temps, il y a une demande pour améliorer la capacité de stockage des mémoires non volatiles classiques. Et c'est à cette interface entre le stockage de données quantiques et optiques que notre travail est ancré.'

La recherche a démarré pendant les recherches de doctorat de França à l'Université de São Paulo au Brésil. Il étudiait les dosimètres de radiation, des dispositifs qui surveillent passivement la quantité de radiation que les travailleurs dans les hôpitaux, synchrotrons et autres installations de radiation reçoivent sur leur lieu de travail.

'Dans les hôpitaux et dans les accélérateurs de particules, par exemple, il est nécessaire de surveiller la quantité de dose de radiation à laquelle les personnes sont exposées,' a déclaré França. 'Il existe des matériaux qui ont la capacité d'absorber la radiation et de stocker ces informations pendant un certain temps.'

Il s'est vite passionné pour la façon dont à travers des techniques optiques—en faisant briller une lumière—il pouvait manipuler et 'lire' ces informations.

'Lorsque le cristal absorbe suffisamment d'énergie, il libère des électrons et des trous. Et ces charges sont capturées par les défauts,' a déclaré França. 'Nous pouvons lire ces informations. Vous pouvez libérer les électrons et nous pouvons lire les informations par des moyens optiques.'

França a rapidement vu le potentiel de stockage de mémoire. Il a apporté ce travail non quantique dans le laboratoire quantique de Zhong pour créer une innovation interdisciplinaire utilisant des techniques quantiques pour construire des mémoires classiques.

'Nous créons un nouveau type de dispositif microélectronique, une technologie inspirée par le quantum,' a déclaré Zhong.

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Pour créer la nouvelle technique de stockage de mémoire, l'équipe a ajouté des ions de 'terres rares', un groupe d'éléments également connus sous le nom de lanthanides, à un cristal.

Plus précisément, ils ont utilisé un élément de terres rares appelé Praséodyme et un cristal d'oxyde d'yttrium, mais le processus qu'ils ont rapporté pourrait être utilisé avec une variété de matériaux, tirant parti des puissantes et flexibles propriétés optiques des terres rares.

'Il est bien connu que les terres rares présentent des transitions électroniques spécifiques qui permettent de choisir des longueurs d'onde d'excitation laser spécifiques pour un contrôle optique, allant de l'UV jusqu'aux régimes proches de l'infrarouge,' a déclaré França.

Contrairement aux dosimètres, qui sont généralement activés par les rayons X ou les rayons gamma, ici le dispositif de stockage est activé par un simple laser ultraviolet. Le laser stimule les lanthanides, qui à leur tour libèrent des électrons. Les électrons sont piégés par certains des défauts du cristal d'oxyde, par exemple les lacunes individuelles dans la structure où un seul atome d'oxygène devrait être, mais ne l'est pas.

“Il est impossible de trouver des cristaux - naturels ou artificiels - qui n'ont pas de défauts”, a déclaré França. "Donc, ce que nous faisons, c'est que nous tirons parti de ces défauts."

Alors que ces défauts de cristal sont souvent utilisés dans la recherche quantique, entrelacés pour créer des 'qubits' dans des gemmes allant du diamant étiré à la spinelle, l'équipe de PME de l'UChicago a trouvé une autre utilisation. Ils ont réussi à guider quand les défauts étaient chargés et lesquels ne l'étaient pas. En désignant un espace chargé comme 'un' et un espace non chargé comme 'zéro', ils ont pu transformer le cristal en un puissant dispositif de stockage de mémoire à une échelle jamais vue dans l'informatique classique.

"Dans ce cube de millimètre, nous avons démontré qu'il y a au moins un milliard de ces mémoires - des mémoires classiques, des mémoires traditionnelles - basées sur les atomes", a déclaré Zhong.

Plus d'informations: 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

Fourni par Université de Chicago