Будущее хранения данных: ученые научились записывать триллионы битов в мелком кристалле
Ученые смогли использовать отдельные недостающие атомы в кристаллах как ячейки памяти, упаковывая терабайты данных в миллиметровый куб. В основе технологии лежат редкоземельные элементы и активация на основе света. Это совершенно новая система хранения данных, не похожая на все, что мы видели в классической вычислительной технике.
Революция в хранении данных
Хранение данных всегда базировалось на простом принципе: объект, который переключается между "включенным" и "выключенным" состоянием, может использоваться для хранения информации. В современных компьютерах двоичный код – единицы и нули – принимает различные физические формы. Транзисторы представляют эти состояния, работая при высоком или низком напряжении. На компакт-диске "единица" появляется там, где крошечная углубленная ямка переходит в ровную поверхность, тогда как "ноль" – это область без изменений, сообщает 24 Канал со ссылкой на исследование, опубликованное в Nanophotonics.
Смотрите также Microsoft показала квантовый процессор Majorana 1: для него придумали несуществующее состояние вещества
Традиционно физический размер этих двоичных компонентов ограничивал объем данных, который может хранить устройство. Теперь исследователи из Притцкерской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) разработали метод кодирования единиц и нулей с помощью кристаллических дефектов — несовершенств на атомном уровне. Этот прорыв может значительно увеличить емкость компьютерной памяти, поскольку даже на одном квадратном миллиметре пространства могут уместиться триллионы атомов.
Как это работает
Каждая ячейка памяти – это один отсутствующий атом, один дефект. Теперь вы можете упаковать терабайты битов в небольшом кубе материала размером всего в миллиметр,
– говорит доцент Чикагского физико-технического университета Тянь Чжун.
Это исследование началось во время защиты докторской диссертации одного из изобретателей, Леонардо Франси. Он изучал дозиметры – приборы, которые фиксируют, сколько радиации получают работники больниц, синхротронов и других радиационных установок во время работы.
"В больницах и ускорителях элементарных частиц, например, необходимо отслеживать, какую дозу радиации получают люди. Существуют материалы, которые обладают способностью поглощать радиацию и сохранять эту информацию в течение определенного времени", – говорит Франса.
Вскоре он увлекся тем, как с помощью оптических методов, то есть освещения, можно манипулировать и "читать" эту информацию.
"Когда кристалл поглощает достаточное количество энергии, он высвобождает электроны и отверстия. И эти заряды захватываются дефектами. Мы можем считывать эту информацию. Вы можете выпустить электроны, и мы сможем прочитать информацию с помощью оптических средств", – добавил ученый.
Вскоре Франса увидел потенциал для хранения памяти. Он принес эту неквантовую работу в квантовую лабораторию Тянь Чжуна, чтобы создать междисциплинарную инновацию с использованием квантовых методов для построения классической памяти.
"Мы создаем новый тип микроэлектронного устройства, технологию, вдохновленную квантовыми технологиями", – сказал Чжун.
Для создания новой технологии хранения данных команда добавила ионы "редкоземельных элементов", группы элементов, также известных как лантаноиды, к кристаллу. В частности, они использовали редкоземельный элемент под названием празеодим и кристалл оксида иттрия, но процесс, о котором они сообщили, может быть выполнен с различными материалами, используя преимущества мощных, гибких оптических свойств редкоземельных элементов.
"Хорошо известно, что редкоземельные элементы имеют специфические электронные переходы, которые позволяют выбирать определенные длины волн лазерного возбуждения для оптического контроля, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона", – говорит Леонардо Франса.
В отличие от дозиметров, которые обычно активируются рентгеновскими или гамма-лучами, устройство хранения данных активируется простым ультрафиолетовым лазером. Лазер стимулирует лантаноиды, которые, в свою очередь, высвобождают электроны. Электроны задерживаются некоторыми дефектами оксидного кристалла, например, отдельными пробелами в структуре, где должен был бы быть один атом кислорода, но его нет. В природе невозможно найти кристаллы, которые бы не имели дефектов. Поэтому их все можно использовать для записи, даже если это искусственно созданные кристаллы.
Хотя кристаллические дефекты часто используются в квантовых исследованиях для создания "кубитов" в драгоценных камнях, команда из Чикаго нашла им другое применение. Они смогли определить, когда дефекты заряжены, а когда нет. Обозначив заряженный пробел как "единицу", а незаряженный "нулем", они смогли превратить кристалл в устройство хранения памяти в масштабе, невиданном в классических вычислениях.
К сожалению, они не говорят ничего о том, можно ли будет адаптировать эту технологию под потребительское использование, когда и сколько это может стоить. Мы также ничего не знаем о скорости чтения информации с кристаллов. Но вполне возможно, что в не очень отдаленном будущем наши смартфоны (или по крайней мере ПК), смогут хранить сотни терабайтов данных.