Datenerdaten in einem Millimeterkristall

In einem Computer -Laptop sind die Binären und Nullen Transistoren, die entweder mit niedriger oder hoher Spannung laufen. Auf einer kompakten Scheibe ist die eine ein Ort, an dem sich eine winzige eingeregte „Grube“ in ein flaches „Land“ verwandelt oder umgekehrt, während eine Null ist, wenn sich keine Änderung gibt.

In der Vergangenheit hat die Größe des Objekts, das die „Einen“ und „Nullen“ erzeugt, die Größe des Speichergeräts begrenzt. Aber jetzt haben Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UCHICAGO) eine Technik untersucht, um eine und Nullen aus Kristallfehlern herzustellen, die jeweils die Größe eines einzelnen Atoms für klassische Computerspeicheranwendungen haben.

Ihre Forschung wurde heute in veröffentlicht Nanophotonik.

„Jede Speicherzelle ist ein einzelnes fehlendes Atom – ein einzelner Defekt“, sagte Uchicago PME Asst. Prof. Tian Zhong. „Jetzt können Sie Terabyte von Bits in einen kleinen Materialwürfel packen, der nur ein Millimeter groß ist.“

Die Innovation ist ein echtes Beispiel für die interdisziplinäre Forschung von Uchicago PME, wobei Quantentechniken verwendet werden – in bahnbrechende mikroelektronische Speicherspeicher.

„Wir fanden einen Weg, um die Festkörperphysik zu integrieren, die für die Strahlungsdosimetrie mit einer Forschungsgruppe angewendet wird, die stark in Quantum arbeitet, obwohl unsere Arbeit nicht genau das Quantum ist“, sagte der erste Autor Leonardo França, ein Postdoktorandforscher im Labor von Zhong. „Es besteht die Nachfrage nach Personen, die über Quantensysteme recherchieren, aber gleichzeitig besteht die Nachfrage nach Verbesserung der Speicherkapazität klassischer nichtflüchtiger Erinnerungen. Und es liegt an dieser Schnittstelle zwischen Quanten- und optischer Datenspeicherung, wo unsere Die Arbeiten sind geerdet. „

Von der Strahlungsdosimetrie bis zur optischen Speicherung

Die Forschung startete während der Doktorarbeit von França an der Universität von São Paulo in Brasilien. Er untersuchte Strahlungsdosimeter, die Geräte, die passiv überwachen, wie viel Strahlungsarbeiter in Krankenhäusern, Synchrotronen und anderen Strahlungsanlagen im Job erhalten.

„In den Krankenhäusern und in Partikelbeschleunigern ist es beispielsweise erforderlich, um zu überwachen, wie viel von einer Strahlungsdosis Menschen ausgesetzt sind“, sagte França. „Es gibt einige Materialien, die diese Fähigkeit haben, Strahlung aufzunehmen und diese Informationen für eine bestimmte Zeitspanne zu speichern.“

Er wurde bald fasziniert, wie er durch optische Techniken – das Licht leuchtete – diese Informationen manipulieren und „lesen“ konnte.

„Wenn der Kristall ausreichende Energie absorbiert, fördert er Elektronen und Löcher. Und diese Ladungen werden von den Mängel erfasst“, sagte França. „Wir können diese Informationen lesen. Sie können die Elektronen veröffentlichen und die Informationen mit optischen Mitteln lesen.“

França sah bald das Potenzial für Speicherspeicher. Er brachte diese Nicht-Quantum-Arbeit in das Quantenlabor von Zhong, um eine interdisziplinäre Innovation zu schaffen, die Quantum-Techniken zum Aufbau klassischer Erinnerungen anbietet.

„Wir erstellen eine neue Art von mikroelektronischem Gerät, eine quanteninspirierte Technologie“, sagte Zhong.

Seltene Erde

Um die neue Speicherspeichertechnik zu schaffen, fügte das Team Ionen von „Seltenerde“, einer Gruppe von Elementen, auch als Lanthaniden bekannt, zu einem Kristall hinzu.

Insbesondere verwendeten sie ein Seltenerdelement namens Praseodym und einen Yttriumoxid-Kristall, aber das von ihnen berichtete Prozess könnte mit einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, wobei die starken, flexiblen optischen Eigenschaften von Seltenerden ausgewählt werden.

„Es ist bekannt, dass Seltene Erden spezifische elektronische Übergänge aufweisen, mit denen Sie bestimmte Laseranregungswellenlängen für die optische Kontrolle von UV bis hin zu nahezu Infrarotregimen auswählen können“, sagte França.

Anders als bei Dosimetern, die typischerweise durch Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen aktiviert werden, wird hier das Speichergerät durch einen einfachen ultravioletten Laser aktiviert. Der Laser stimuliert die Lanthanide, die wiederum Elektronen freisetzen. Die Elektronen werden von einigen Defekten des Oxidkristalls gefangen, zum Beispiel die einzelnen Lücken in der Struktur, in der ein einzelnes Sauerstoffatom sein sollte, aber nicht.

„Es ist unmöglich, Kristalle zu finden – in Natur oder künstlichen Kristallen -, die keine Mängel haben“, sagte França. „Wir tun also diese Mängel aus.“

Während diese Kristalldefekte häufig in der Quantenforschung verwendet werden und sich in Edelsteine ​​von gestreckten Diamanten bis Spinel „Qubits“ in Edelsteinen verwickelt haben, fand das Uchicago -PME -Team eine weitere Verwendung. Sie konnten führen, wenn Mängel angeklagt wurden und was nicht. Indem sie eine geladene Lücke als „eins“ und eine ungeladene Lücke als „Null“ bezeichneten, konnten sie den Kristall in ein leistungsstarkes Speicherspeichergerät auf einer Skala, die im klassischen Computing unsichtbar ist, verwandeln.

„In diesem Millimeterwürfel haben wir gezeigt, dass es ungefähr eine Milliarde dieser Erinnerungen – klassische Erinnerungen, traditionelle Erinnerungen – basierend auf Atomen gibt“, sagte Zhong.

Finanzierung: Diese Arbeit wurde vom US-amerikanischen Energieministerium, Office of Science, zur Unterstützung der Mikroelektronikforschung unter Vertrag Nr. DE-AC0206CH11357 unterstützt