Zainspirowany kwantowo rozwój zamienia przerwy w kryształach w magazyn terabajtów dla pamięci klasycznej

14 lutego 2025

Ten artykuł został przeglądnięty zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• zweryfikowane faktami
• zaufane źródło
• skorygowane

autorstwa Paula Dailinga, Uniwersytet Chicagowski

Od krosien z kart perforowanych w latach 1800 do nowoczesnych telefonów komórkowych, jeśli obiekt ma stany 'włączony' i 'wyłączony', może być używany do przechowywania informacji.

Na laptopie komputerowym, binarne jedynki i zera to tranzystory, które działają na niskim lub wysokim napięciu. Na płycie kompaktowej, jedynka to miejsce, gdzie mały wgłębiony 'dziurk' zmienia się w płaskie 'ląd' lub odwrotnie, podczas gdy zero oznacza brak zmiany.

Historycznie, rozmiar obiektu tworzącego 'jedynki' i 'zera' narzucał ograniczenie rozmiaru urządzenia przechowującego dane. Jednak teraz naukowcy z Uniwersytetu Chicagowskiego szkoły Inżynierii Molekularnej Pritzker (UChicago PME) odkryli technikę tworzenia jedynek i zer z defektów kryształowych, każdy o wielkości pojedynczego atomu, do klasycznych zastosowań pamięci komputerowej.

Ich badania zostały opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Nanophotonics.

'Każda komórka pamięci to pojedynczy brakujący atom – pojedynczy defekt,' powiedział asystent prof. UChicago PME, Tian Zhong. 'Teraz możesz spakować terabajty bitów w małej kostce materiału o wielkości zaledwie milimetra.'

Innowacja jest prawdziwym przykładem interdyscyplinarnych badań UChicago PME, wykorzystując techniki kwantowe do rewolucjonizowania klasycznych, nie-kwantowych komputerów i przekształcania badań na dawkomierze promieniowania – najczęściej znane jako urządzenia przechowujące informacje o tym, ile promieniowania absorbują pracownicy szpitala od maszyn rentgenowskich – w przełomowe urządzenie pamięci mikroelektronicznej.

'Odkryliśmy sposób na zintegrowanie fizyki ciał stałych stosowanej w dawkomierzach promieniowania z grupą badawczą pracującą silnie w dziedzinie kwantów, chociaż nasza praca nie jest dokładnie o kwantach,' powiedział pierwszy autor Leonardo França, doktorant w laboratorium Zhonga. 'Istnieje popyt na osoby, które prowadzą badania nad systemami kwantowymi, ale jednocześnie istnieje zapotrzebowanie na zwiększenie pojemności pamięci klasycznych, niezmiennych. I to jest na tej granicy między kwantowym a optycznym przechowywaniem danych, gdzie nasza praca jest ukorzeniona.'

Badania rozpoczęły się podczas doktoratu Françi na Uniwersytecie w São Paulo w Brazylii. Badał on dawkomierze promieniowania, urządzenia, które biernie monitorują, ile promieniowania otrzymują pracownicy szpitali, synchrotronów i innych obiektów promieniujących.

'W szpitalach i akceleratorach cząstek, na przykład, potrzebne jest monitorowanie dawki promieniowania, do której są narażeni ludzie,' powiedział França. 'Istnieją materiały, które mają zdolność do absorbowania promieniowania i przechowywania tej informacji przez pewien czas.'

Wkrótce zaczął być zafascynowany tym, w jaki sposób za pomocą technik optycznych – świecenia światłem – mógł manipulować i 'odczytywać' tę informację.

'Kiedy kryształ absorbuje wystarczającą energię, uwolnione są elektrony i dziury. A te ładunki są przechwytywane przez defekty,' powiedział França. 'Możemy odczytać tę informację. Możesz uwolnić elektrony, a my możemy odczytać informację za pomocą środków optycznych.'

França szybko dostrzegł potencjał przechowywania danych. Przyniósł tę niekwantową pracę do kwantowego laboratorium Zhonga, aby stworzyć interdyscyplinarną innowację, wykorzystując techniki kwantowe do budowy pamięci klasycznych.

'Tworzymy nowy rodzaj mikroelektronicznego urządzenia, technologię inspirowaną przez kwanty,' powiedział Zhong.

Odkryj najnowsze osiągnięcia w nauce, technologii i przestrzeni z ponad 100 000 subskrybentami, którzy polegają na Phys.org na codzienne spojrzenie. Zapisz się na nasz darmowy biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie – codziennie lub tygodniowo.

Aby stworzyć nową technikę przechowywania pamięci, zespół dodał jony 'rzadkiej ziemi', grupy pierwiastków znanych również jako lantanowce, do kryształu.

Konkretnie, użyli rzadkoziemskiego pierwiastka o nazwie Praseodym i kryształu tlenku itru, ale proces, o którym poinformowali, mógłby być stosowany z różnymi materiałami, wykorzystując potęgę i elastyczne właściwości optyczne rzadkich ziem.

'Wiadomo, że rzadkie ziemie prezentują specyficzne przejścia elektronowe, które pozwalają na wybór konkretnych długości fal świecenia laserem dla kontroli optycznej, od ultrafioletu aż do reżimów bliskiej podczerwieni,' powiedział França.

W odróżnieniu od dawkomierzy, które zazwyczaj są aktywowane promieniowaniem rentgenowskim lub gamma, tutaj urządzenie przechowujące jest aktywowane prostym laserem ultrafioletowym. Laser stymuluje lantanowce, które z kolei uwalniają elektrony. Elektrony są uwięzione przez niektóre z defektów kryształu tlenku, na przykład indywidualne przerwy w strukturze, gdzie powinien być pojedynczy atom tlenu, ale go nie ma.

„Nie ma możliwości znalezienia kryształów — w naturze ani sztucznych kryształów — które nie miałyby defektów” — powiedział França. „Więc to, co robimy, to wykorzystujemy te defekty”.

Chociaż defekty kryształów są często używane w badaniach kwantowych, splątane tworząc „qubity” w kamieniach szlachetnych od rozciągniętego diamentu do spinelu, zespół PME z UChicago znalazł inne zastosowanie. Byli w stanie sterować, kiedy defekty były naładowane, a kiedy nie. Przypisując naładowanej przerwie „jedynkę” i nie-naładowanej przerwie „zero”, byli w stanie przekształcić kryształ w potężne urządzenie pamięciowe na skalę niespotykaną w obliczeniach klasycznych.

„Wewnątrz tego milimetrowego sześcianu pokazaliśmy, że jest co najmniej miliard takich pamięci — pamięci klasycznych, tradycyjnych — opartych na atomach” — powiedział Zhong.

Więcej informacji: Leonardo V. S. França et al, Całkowita kontrola defektów łapiących ładunek w tlenkach z domieszkami ziem rzadkich, Nanofotonika (2025). DOI: 10.1515/nanoph-2024-0635

Udostępnione przez Uniwersytet Chicago