Avanzamento ispirato alla meccanica quantistica trasforma i vuoti cristallini in archiviazione terabyte per la memoria classica

14 febbraio 2025

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di Paul Dailing, Università di Chicago

Dai telai da tessitura operati da schede perforate negli anni '800 ai moderni cellulari, se un oggetto ha uno stato 'on' e uno stato 'off', può essere utilizzato per memorizzare informazioni.

In un computer portatile, i numeri binari uno e zero sono transistor che funzionano a bassa o alta tensione. Su un compact disc, l'uno è un punto dove un piccolo 'fossetto' incavato diventa una 'zona' piatta o viceversa, mentre lo zero è quando non c'è alcuna variazione.

Cronologicamente, le dimensioni dell'oggetto che crea i 'uni' e gli 'zeri' hanno posto un limite alle dimensioni del dispositivo di archiviazione. Ma ora, i ricercatori della University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) hanno esplorato una tecnica per creare uno e zero a partire da difetti cristallini, ognuno delle dimensioni di un singolo atomo, per applicazioni di memoria informatica classica.

La loro ricerca è stata pubblicata oggi su Nanofotonica.

'Ogni cella di memoria è un singolo atomo mancante - un singolo difetto,' ha detto il Prof. Asst. Tian Zhong della UChicago PME. 'Ora è possibile memorizzare terabyte di bit all'interno di un piccolo cubo di materiale grande solo un millimetro.'

L'innovazione è un vero esempio della ricerca interdisciplinare della UChicago PME, che utilizza tecniche quantistiche per rivoluzionare i computer classici, non quantistici e per trasformare la ricerca sui dosimetri di radiazioni - più comunemente noti come i dispositivi che memorizzano la quantità di radiazioni assorbita dai lavoratori ospedalieri dalle macchine a raggi-X - in rivoluzionari dispositivi di memoria microelettronica.

'Abbiamo trovato un modo per integrare la fisica dello stato solido applicata alla dosimetria delle radiazioni con un gruppo di ricerca che lavora intensamente in campo quantistico, anche se il nostro lavoro non è esattamente quantistico,' ha detto il primo autore Leonardo França, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhong. 'C'è una domanda di persone che stanno facendo ricerca sui sistemi quantistici, ma al contempo c'è una richiesta per migliorare la capacità di memorizzazione delle memorie non volatili classiche. Ed è su questo confine tra la memorizzazione dei dati quantistici e ottici dove si basa il nostro lavoro.'

La ricerca ha avuto inizio durante la ricerca di dottorato di França presso l'Università di São Paulo in Brasile. Stava studiando dosimetri di radiazioni, i dispositivi che monitorano passivamente la quantità di radiazioni a cui vengono esposti i lavoratori negli ospedali, nei sincrotroni e in altre strutture di radiazioni sul lavoro.

'Negli ospedali e negli acceleratori di particelle, ad esempio, è necessario monitorare la quantità di radiazioni a cui le persone sono esposte,' ha detto França. 'Ci sono alcuni materiali che hanno questa capacità di assorbire radiazioni e memorizzare queste informazioni per un certo periodo di tempo.'

Presto è rimasto affascinato da come tramite tecniche ottiche - facendo luce - avrebbe potuto manipolare e 'leggere' quelle informazioni.

'Quando il cristallo assorbe energia sufficiente, rilascia elettroni e lacune. E queste cariche sono catturate dai difetti,' ha detto França. 'Possiamo leggere quelle informazioni. Si possono rilasciare gli elettroni e possiamo leggere le informazioni attraverso mezzi ottici.'

França ha presto visto il potenziale per la memorizzazione. Ha portato questo lavoro non quantistico nel laboratorio quantistico di Zhong per creare un'innovazione interdisciplinare che utilizza tecniche quantistiche per costruire memorie classiche.

'Stiamo creando un nuovo tipo di dispositivo microelettronico, una tecnologia ispirata alla fisica quantistica,' ha detto Zhong.

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Per creare la nuova tecnica di memorizzazione, il team ha aggiunto ioni di 'terra rara', un gruppo di elementi noti anche come lantanidi, a un cristallo.

Specificamente, hanno utilizzato un elemento di terra rara chiamato praseodimio e un cristallo di ossido di ittrio, ma il processo che hanno riportato potrebbe essere utilizzato con una varietà di materiali, sfruttando le potenti e flessibili proprietà ottiche delle terre rare.

'È risaputo che le terre rare presentano specifiche transizioni elettroniche che permettono di scegliere specifiche lunghezze d'onda di eccitazione laser per il controllo ottico, dall'UV fino ai regimi del vicino-infrarosso,' ha detto França.

A differenza dei dosimetri, che sono tipicamente attivati da raggi X o raggi gamma, qui il dispositivo di memorizzazione è attivato da un semplice laser ultravioletto. Il laser stimola i lantanidi, che a loro volta rilasciano elettroni. Gli elettroni sono intrappolati da alcuni difetti del cristallo di ossido, ad esempio le lacune individuali nella struttura dove dovrebbe esserci un singolo atomo di ossigeno, ma non c'è.

È impossibile trovare cristalli, sia nella natura che cristalli artificiali, che non abbiano difetti, ha detto França. Quindi ci stiamo approfittando di questi difetti.

Anche se questi difetti dei cristalli vengono spesso utilizzati nella ricerca quantistica, intrecciati per creare 'qubits' in gemme dal diamante teso allo spinello, il team PME dell'UChicago ha trovato un altro uso. Sono riusciti a guidare quando i difetti erano carichi e quali non lo erano. Designando uno spazio carico come 'uno' e uno spazio scarico come 'zero', sono riusciti a trasformare il cristallo in un potente dispositivo di archiviazione della memoria su una scala mai vista nel computing classico.

"All'interno di quel millimetro cubo, abbiamo dimostrato che ci sono almeno un miliardo di queste memorie - memorie classiche, tradizionali - basate sugli atomi", ha detto Zhong.

Maggiori informazioni: 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

Fornito da Università di Chicago