Американские исследователи разработали способ хранения и считывания данных с отдельных атомов, встроенных в крошечные кристаллы размером в несколько миллиметров.
Расширение масштабов этой технологии может вскоре открыть путь к сверхплотным системам хранения данных, способным вмещать петабайты информации в одном блоке. Так, 1 петабайт эквивалентен примерно 5 000 фильмов в разрешении 4K.
Кодирование данных в виде единиц и нулей было широко распространено с самого начала развития компьютерной техники. Но если раньше для этого использовались носители в виде электронных трубок, крошечные электронные транзисторы и компакт-диски, на поверхности которых впадины представляли единицы, а гладкие участки — нули, то теперь ученые обращаются к технологиям квантовой физики.
В новой разработке исследователи использовали электрон, захваченный дефектом в кристалле, который представляет собой единицу, в то время как отсутствие электрона — представляет собой нольТаким образом, ученые объединили физику твердого тела с технологиями хранения данных на квантовом уровне.
Эффективность технологии обеспечивается за счет излучения лазера с определенным количеством энергии, который переводит электрон в возбужденное состояние. В этот момент считывающее устройство регистрирует наличие света. Отсутствие света свидетельствует об отсутствии захваченного электрона. Этот метод эффективно работает только в том случае, если кристалл имеет необходимые дефекты, такие как кислородная вакансия и посторонние примеси, которые превращают кристалл в полупроводник.
«Эти дефекты обеспечивают очень хорошую производительность Одна из них — способность накапливать заряд», — объясняет ведущий автор исследования, физик из Чикагского университета. Леонардо Франс.
Исследователи использовали ионы редкоземельных металлов в качестве легирующих добавок к материалу для изменения его свойств. Ключевым моментом было то, как возбудить электрон с помощью иона редкоземельного металла, чтобы удержать его.
«Мы должны предоставить достаточно энергии, чтобы освободить электрон от редкоземельного иона, и дефект — близлежащий дефект — отреагирует на это. Таким образом, вы захватываете электрон с помощью его собственного электрического поля». Это часть записи», — отмечает Леонардо Франса.
После этого начинается считывание данных. По словам Франса, необходимо использовать другой источник света, чтобы освободить электрон от дефекта, что приводит к перераспределению зарядов и обеспечивает излучение света.
Какие проблемы еще предстоит преодолеть на пути к передовым устройствам хранения данных
Одна из главных проблем представленной технологии заключается в том, что данные стираются при считывании информации. По словам Леонардо Франса, частичное решение проблемы заключается в уменьшении количества света, что помогает ограничить потерю данных.
По его словам, информация будет исчезать со временем, подобно тому, как данные, хранящиеся на кассетах, исчезают в течение 10-30 лет.
Исследователи использовали редкоземельный элемент празеодим и кристалл оксида иттрия. Однако они также могли использовать кристаллы других редкоземельных элементов с другими нелегирующими примесями. Преимущество редкоземельных элементов заключается в том, что они имеют заранее известные длины волн, что позволяет возбуждать электроны с помощью традиционных лазеров.
Главной целью ученых было использование отдельных атомов, встроенных в кристаллы, но это пока труднодостижимо. По словам Леонардо Франса, в настоящее время разработчики находятся на правильном пути.
Ученый подчеркнул, что интерес к дальнейшим исследованиям обусловлен возможностью масштабирования технологии, что в конечном итоге может привести к созданию дешевых устройств для хранения данных в больших объемах. Приятным моментом во всем этом является то, что вычисления с помощью лазерной технологии хорошо изучены и не слишком дороги.
Увеличение производства соответствующих кристаллов также обещает быть экономически выгодным. Это позволит сэкономить на покупке редкоземельных элементов и на разработке способов борьбы с дефектами в кристаллах. Если существующие проблемы будут решены, то кристалл можно будет создавать в форме диска.
«В нашем кристалле, где мы имеем около 40 мм³, мы могли бы хранить несколько сотен терабайт», — подчеркнул Леонардо Франса.
По его расчетам, в настоящее время доступное пространство составляет около 260 терабайт. Разработчик добавил, что плотность дефектов может быть легко увеличена. Это, конечно же, приведет к возможности хранения петабайтов данных на одном устройстве размером с диск.
Любитель переделывает SSD Crucial QLC емкостью 512 Гбайт в SLC емкостью 120 Гбайт с увеличением ресурсов и скорости
Статья была опубликована в журнале Нанофотоника
Источник: LiveScience
