От ткацких станков с перфокартами в 1800-х годах до современных мобильных телефонов, если объект имеет состояние «включено» и «выключено», его можно использовать для хранения информации.

В компьютерном ноутбуке двоичные единицы и нули — это транзисторы, работающие при низком или высоком напряжении. На компакт-диске единица — это место, где крошечная «яма» с углублением превращается в плоскую «землю» или наоборот, в то время как ноль — это когда нет сдачи.

Исторически сложилось так, что размер объекта, состоящего из «единиц» и «нулей», накладывал ограничение на размер запоминающего устройства. Но теперь исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) изучили метод создания единиц и нулей из кристаллических дефектов, каждый из которых имеет размер отдельного атома для классических приложений компьютерной памяти.

Их исследование было опубликовано сегодня в Нанофотоника.

«Каждая ячейка памяти — это один отсутствующий атом — один дефект», — сказал доцент PME Чикагского университета Тянь Чжун. «Теперь вы можете упаковать терабайты битов в небольшой куб материала размером всего в миллиметр».

Эта инновация является подлинным примером междисциплинарных исследований UChicago PME, использующих квантовые методы для революционных преобразований классических, неквантовых компьютеров и превращающих исследования радиационных дозиметров, наиболее известных как устройства, которые хранят информацию о том, сколько радиации работники больниц поглощают от рентгеновских аппаратов, в революционные микроэлектронные хранилища памяти.

«Мы нашли способ интегрировать физику твердого тела применительно к радиационной дозиметрии с исследовательской группой, которая активно работает в квантовой области, хотя наша работа не совсем квантовая», — сказал первый автор Леонардо Франса, научный сотрудник лаборатории Чжуна. «Есть спрос на людей, которые занимаются исследованиями квантовых систем, но в то же время есть спрос на улучшение емкости хранения классической энергонезависимой памяти. И именно на этом интерфейсе между квантовым и оптическим хранением данных основана наша работа».

От радиационной дозиметрии до оптического хранения

Исследование началось во время докторской диссертации Франсы в Университете Сан-Паулу в Бразилии. Он изучал дозиметры радиации, приборы, которые пассивно следят за тем, сколько радиационных работников в больницах, синхротронах и других радиационных установках получают на работе.

«Например, в больницах и ускорителях частиц необходимо отслеживать, какой дозе облучения подвергаются люди», — говорит Франса. «Есть некоторые материалы, которые обладают способностью поглощать радиацию и хранить эту информацию в течение определенного периода времени».

Вскоре он увлекся тем, как с помощью оптических методов — излучения света — он может манипулировать этой информацией и «читать» ее.

«Когда кристалл поглощает достаточное количество энергии, он высвобождает электроны и дырки. И эти расходы захватываются дефектами», — сказал Франса. «Мы можем прочитать эту информацию. Вы можете выпустить электроны, и мы сможем прочитать информацию с помощью оптических средств».

Вскоре Франса увидел потенциал для хранения памяти. Он привнес эту неквантовую работу в квантовую лабораторию Чжуна, чтобы создать междисциплинарную инновацию с использованием квантовых технологий Техники для создания классических воспоминаний.

«Мы создаем новый тип микроэлектронного устройства, технологию, вдохновленную квантовыми вычислениями», — сказал Чжун.

Редкоземельных

Чтобы создать новую технику хранения памяти, команда добавила в кристалл ионы «редкоземельных элементов», группы элементов, также известных как лантаноиды.

В частности, они использовали редкоземельный элемент под названием празеодим и кристалл оксида иттрия, но процесс, о котором они сообщили, может быть использован с различными материалами, используя преимущества мощных, гибких оптических свойств редкоземельных элементов.

«Хорошо известно, что редкоземельные элементы обладают специфическими электронными переходами, которые позволяют выбирать конкретные длины волн лазерного возбуждения для оптического управления, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного режимов», — сказал Франса.

В отличие от дозиметров, которые обычно активируются рентгеновскими или гамма-лучами, здесь накопитель активируется простым ультрафиолетовым лазером. Лазер стимулирует лантаноиды, которые, в свою очередь, высвобождают электроны. Электроны захватываются некоторыми дефектами оксидного кристалла, например, отдельными промежутками в структуре, где должен быть один атом кислорода, но его нет.

«Невозможно найти кристаллы — в природе или искусственные кристаллы — которые не имеют дефектов», — сказал Франса. «Так что то, что мы делаем, — это извлекаем выгоду из этих дефектов».

В то время как эти кристаллические дефекты часто используются в квантовых исследованиях, запутанных для создания «кубитов» в драгоценных камнях от растянутого алмаза до шпинели, команда UChicago PME нашла другое применение. Они могли направлять, когда дефекты были выписаны, а какие нет. Обозначив заряженный зазор как «единицу», а незаряженный зазор как «ноль», они смогли превратить кристалл в мощное запоминающее устройство в масштабах, невиданных в классических вычислениях.

«В этом миллиметровом кубе мы продемонстрировали, что существует по крайней мере миллиард таких воспоминаний — классических воспоминаний, традиционных воспоминаний — основанных на атомах», — сказал Чжун.