Kvantuminspirerade framsteg förvandlar kristallgap till terabyte lagring för klassiskt minne.

Februari 14, 2025 Denna artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet: faktagranskad, pålitlig källa, korrekturläst av Paul Dailing, University of Chicago Från hålkortsstyrda vävstolar på 1800-talet till moderna mobiltelefoner, om ett objekt har ett 'på' och ett 'av' läge kan det användas för att lagra information. I en bärbar dator består de binära ettor och nollor av transistorer som antingen fungerar med låg eller hög spänning. 

På en kompaktskiva är ettan en plats där en liten fördjupad 'grop' omvandlas till ett platt 'land' eller tvärtom, medan en nolla uppstår när det inte sker någon förändring. Historiskt sett har storleken på objektet som skapar ettor och nollor satt en gräns för lagringsenhetens storlek. 

Men nu har forskare från University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) utforskat en teknik för att skapa ettor och nollor av kristalldefekter, var och en stor som en enskild atom för klassiska datorminneapplikationer. 

Deras forskning publicerades idag i Nanophotonics. "Varje minnescell är en enda saknad atom - en enda defekt," sa UChicago PME-assisterande professor Tian Zhong. "Nu kan du packa terabytes av bitar inom en liten kub av material som endast är en millimeter stor." 

Innovationen är ett verkligt exempel på UChicago PME:s tvärvetenskapliga forskning, som använder kvanttekniker för att revolutionera klassiska, icke-kvantdatorer och förvandla forskning om stråldosimetrar - vanligtvis kända som de enheter som lagrar hur mycket strålning sjukhusanställda absorberar från röntgenmaskiner - till banbrytande mikroelektroniskt minneslagring. 

"Vi hittade ett sätt att integrera fast tillstånds-fysik tillämpad på stråldosimetri med en forskargrupp som starkt arbetar med kvant, även om vårt arbete inte är exakt kvant," sa försteförfattaren Leonardo França, en postdoktorand i Zhongs laboratorium. "Det finns efterfrågan på personer som forskar om kvantsystem, men samtidigt efterfrågan på att förbättra lagringskapaciteten hos klassiska icke-flyktiga minnen. 

Och det är på denna gränssnitt mellan kvant- och optisk datalagring där vårt arbete är förankrat." Forskningen började under Franças doktorsavhandling vid University of São Paulo i Brasilien. Han studerade stråldosimetrar, de enheter som passivt övervakar hur mycket strålning arbetare på sjukhus, synkrotroner och andra strålningsanläggningar får på jobbet. 

"I sjukhus och partikelacceleratorer behövs det till exempel övervaka hur mycket stråldos människor utsätts för," sa França. "Det finns några material som har förmågan att absorbera strålning och lagra den informationen under en viss tid." Han blev snart fascinerad av hur han genom optiska tekniker - genom att lysa med ljus - kunde manipulera och "läsa" denna information. "När kristallen absorberar tillräckligt med energi frigörs elektroner och hål. Och dessa laddningar fångas upp av defekterna," sa França. "Vi kan läsa den informationen. 

Du kan frigöra elektronerna, och vi kan läsa informationen på optisk väg." França såg snart potentialen för minneslagring. Han tog med detta icke-kvantiska arbete till Zhongs kvantlaboratorium för att skapa en tvärvetenskaplig innovation genom att använda kvanttekniker för att bygga klassiska minnen. "Vi skapar en ny typ av mikroelektronisk enhet, en kvantinspirerad teknik," sa Zhong. 

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Anmäl dig till vårt kostnadsfria nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något - dagligen eller veckovis. För att skapa den nya minneslagringstekniken tillsatte teamet joner av "sällsynta jordarter", en grupp element också kända som lantanider, till en kristall. Specifikt använde de ett sällsynt jordartselement som kallas praseodym och en Yttrium-oxidkristall, men processen de rapporterade skulle kunna användas med olika material och dra nytta av sällsynta jordarters kraftfulla, flexibla optiska egenskaper. "Det är välkänt att sällsynta jordarter uppvisar specifika elektroniska övergångar som gör att du kan välja specifika laserexciteringsvåglängder för optisk kontroll, från UV upp till nära infraröda regimer," sa França. 

Till skillnad från dosimetrar, som vanligtvis aktiveras av röntgen- eller gammastrålar, aktiveras här lagringsenheten av en enkel ultraviolett laser. Lasern stimulerar lantaniderna, som i sin tur frigör elektroner. Elektronerna fångas upp av vissa av oxidskikts defekter, till exempel individuella gap i strukturen där en enskild syreatom borde vara, men inte är.'Det är omöjligt att hitta kristaller - i naturen eller konstgjorda kristaller - som inte har defekter,' sa França. 

'Så det vi gör är att vi utnyttjar dessa defekter.' Medan dessa kristalldefekter ofta används inom kvantforskning, för att skapa 'qubits' i ädelstenar från sträckt diamant till spinell, hittade UChicago PME-teamet en annan användning. De kunde styra när defekter var laddade och vilka som inte var det. Genom att ange en laddad lucka som 'ett' och en oladdad lucka som 'noll,' kunde de göra kristallen till en kraftfull minneslagringsenhet i en skala som aldrig tidigare setts inom klassisk databehandling. 'Inom det millimeterkubiket visade vi att det finns åtminstone en miljard av dessa minnen - klassiska minnen, traditionella minnen - baserade på atomer,' sa Zhong. 

Mer information: Leonardo V. S. França m.fl., All-optical control of charge-trapping defects in rare-earth doped oxides, Nanofotonik (2025). DOI: 10.1515/nanoph-2024-0635 Tillhandahållet av University of Chicago