Quantum-geïnspireerde vooruitgang verandert kristalgaten in terabyte opslag voor klassiek geheugen

14 februari 2025

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• gefactureerd
• betrouwbare bron
• nagekeken

door Paul Dailing, Universiteit van Chicago

Van ponskaartgestuurde weefgetouwen in de jaren 1800 tot moderne mobiele telefoons, als een object een 'aan' en 'uit' staat heeft, kan het worden gebruikt om informatie op te slaan.

In een computerlaptop zijn de binaire enen en nullen transistoren die ofwel op lage of hoge spanning werken. Op een compact disc is de een een plek waar een klein ingedeukt 'putje' verandert in een plat 'land' of andersom, terwijl een nul is wanneer er geen verandering is.

Historisch gezien heeft de grootte van het object dat de 'enen' en 'nullen' maakt een limiet gesteld aan de grootte van het opslagapparaat. Maar nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) een techniek verkend om enen en nullen te maken uit kristalfouten, elk ter grootte van een individueel atoom voor klassieke computergeheugentoepassingen.

Hun onderzoek werd vandaag gepubliceerd in Nanophotonics.

'Elke geheugencel is een enkel ontbrekend atoom - een enkele fout,' zei UChicago PME Assistent Prof. Tian Zhong. 'Nu kun je terabytes aan bits verpakken in een kleine kubus van materiaal die slechts een millimeter groot is.'

De innovatie is een waar voorbeeld van interdisciplinair onderzoek van UChicago PME, waarbij quantumtechnieken worden gebruikt om klassieke, niet-quantumcomputers te revolutionaliseren en onderzoek naar stralingsdosimeters - meestal bekend als de apparaten die opslaan hoeveel straling ziekenhuismedewerkers absorberen van röntgenapparaten - om te zetten in baanbrekende micro-elektronische geheugenopslag.

'We hebben een manier gevonden om vastestoffysica toegepast op stralingsdosimetrie te integreren met een onderzoeksgroep die sterk op quantum werkt, hoewel ons werk niet precies quantum is,' zei eerste auteur Leonardo França, een postdoctoraal onderzoeker in Zhong's laboratorium. 'Er is vraag naar mensen die onderzoek doen naar quantumsystemen, maar tegelijkertijd is er vraag naar verbetering van de opslagcapaciteit van klassieke niet-vluchtige geheugens. En het is op dit raakvlak tussen quantum en optische gegevensopslag waar ons werk is gefundeerd.'

Het onderzoek begon tijdens França's promotieonderzoek aan de Universiteit van São Paulo in Brazilië. Hij bestudeerde stralingsdosimeters, de apparaten die passief controleren hoeveel straling werknemers in ziekenhuizen, synchrotrons en andere stralingsfaciliteiten op het werk ontvangen.

'In de ziekenhuizen en deeltjesversnellers is het bijvoorbeeld nodig om te controleren hoeveel stralingsdosis mensen worden blootgesteld,' zei França. 'Er zijn enkele materialen die deze capaciteit hebben om straling te absorberen en die informatie gedurende een bepaalde tijd op te slaan.'

Al snel raakte hij gefascineerd door hoe hij met optische technieken - door het schijnen van een licht - die informatie kon manipuleren en 'lezen'.

'Wanneer het kristal voldoende energie absorbeert, laat het elektronen en gaten vrij. En deze ladingen worden vastgelegd door de defecten,' zei França. 'Wij kunnen die informatie lezen. Je kunt de elektronen vrijlaten, en we kunnen de informatie lezen door optische middelen.'

França zag al snel het potentieel voor geheugenopslag. Hij bracht dit niet-kwantumwerk in het quantumlaboratorium van Zhong om een interdisciplinaire innovatie te creëren door quantumtechnieken te gebruiken om klassieke geheugens te bouwen.

'We creëren een nieuw type micro-elektronisch apparaat, een door quantum geïnspireerde technologie,' zei Zhong.

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die er toe doen - dagelijks of wekelijks.

Om de nieuwe geheugentechniek te creëren, voegde het team ionen van 'zeldzame aarde,' een groep elementen ook bekend als lanthaniden, toe aan een kristal.

Specifiek hebben ze een zeldzaam aardelement genaamd Praseodymium en een Yttriumoxidekristal gebruikt, maar het proces dat ze hebben gerapporteerd kan worden gebruikt met een verscheidenheid aan materialen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de krachtige, flexibele optische eigenschappen van zeldzame aarden.

'Het is algemeen bekend dat zeldzame aarden specifieke elektronische overgangen presenteren waardoor je specifieke laser excitatiegolflengtes voor optische controle kunt kiezen, van UV tot nabij-infrarood regimes,' zei França.

In tegenstelling tot dosimeters, die meestal worden geactiveerd door röntgenstralen of gammastralen, wordt hier het opslagapparaat geactiveerd door een eenvoudige ultraviolette laser. De laser stimuleert de lanthaniden, die op hun beurt elektronen vrijgeven. Deze elektronen worden gevangen door enkele van de defecten van het oxidekristal, bijvoorbeeld de individuele openingen in de structuur waar een enkel zuurstofatoom zou moeten zijn, maar dat niet is.

'Het is onmogelijk om kristallen te vinden - in de natuur of kunstmatige kristallen - die geen defecten hebben,' zei França. 'Dus wat we doen is profiteren van deze defecten.'

Terwijl deze kristaldefecten vaak worden gebruikt in kwantumonderzoek, verstrengeld om 'qubits' te creëren in edelstenen van uitgetrokken diamant tot spinel, vond het UChicago PME-team een andere toepassing. Ze waren in staat om te sturen wanneer defecten werden geladen en welke niet. Door een geladen kloof aan te duiden als 'één' en een ongeladen kloof als 'nul,' waren ze in staat om het kristal om te zetten in een krachtig geheugenopslagapparaat op een schaal die nog nooit eerder was gezien in de klassieke computertechnologie.

'Binnen die kubieke millimeter hebben we aangetoond dat er minstens een miljard van deze geheugens zijn - klassieke geheugens, traditionele geheugens - gebaseerd op atomen,' zei Zhong.

Meer informatie:                                                 Leonardo V. S. França et al, All-optische controle van oplaadvervangingsdefecten in zeldzame-aardendoped oxiden, Nanofotonica (2025). DOI: 10.1515/nanoph-2024-0635

Verstrekt door                                                 Universiteit van Chicago