Fra punch-kortbetjent væve i 1800-tallet til moderne mobiltelefoner, hvis et objekt har en “on” og en “off” -tilstand, kan det bruges til at gemme information.
På en computerbærbar computer er de binære og nuller transistorer, der enten kører ved lav eller højspænding. På en kompakt disk er den ene et sted, hvor en lille indrykket “pit” vender sig til et fladt “land” eller omvendt, mens en nul er, når der ikke er nogen ændring.
Historisk set har størrelsen på objektet, der fremstiller “dem” og “nuller”, sat en grænse for størrelsen på lagringsenheden. Men nu har University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (Uchicago PME) forskere undersøgt en teknik til at fremstille dem og nuller ud af krystaldefekter, hver størrelse på et individuelt atom til klassiske computerhukommelsesapplikationer.
Deres forskning blev offentliggjort i dag i Nanophotonics.
“Hver hukommelsescelle er et enkelt manglende atom – en enkelt defekt,” sagde Uchicago PME Asst. Professor Tian Zhong. “Nu kan du pakke terabyte af bits i en lille terning af materiale, der kun er en millimeter i størrelse.”
Innovationen er et sandt eksempel på Uchicago PME’s tværfaglige forskning, der bruger kvanteteknikker til at revolutionere klassiske, ikke-kvantumcomputere og dreje forskning på strålingsdosimetre-mest almindeligt kendt som de enheder, der opbevarer, hvor meget strålingshospitalarbejdere absorberer fra røntgenmaskiner- til banebrydende mikroelektronisk hukommelseslagring.
“Vi fandt en måde at integrere faststoffysik anvendt på strålingsdosimetri med en forskningsgruppe, der fungerer stærkt i kvante, selvom vores arbejde ikke er nøjagtigt kvantet,” sagde første forfatter Leonardo França, en postdoktorisk forsker i Zhongs laboratorium. “Der er efterspørgsel efter mennesker, der undersøger kvantesystemer, men på samme tid er der et krav om forbedring af lagerkapaciteten for klassiske ikke-flygtige minder. Og det er på denne grænseflade mellem kvante- og optisk datalagring, hvor vores Arbejdet er jordet. “
Fra strålingsdosimetri til optisk opbevaring
Forskningen startede under Franças ph.d. Forskning ved University of São Paulo i Brasilien. Han studerede strålingsdosimetre, de enheder, der passivt overvåger, hvor meget strålingsarbejdere på hospitaler, synkrotroner og andre strålingsfaciliteter modtager på jobbet ..
“På hospitaler og i partikelacceleratorer er det for eksempel nødvendigt at overvåge, hvor meget af en stråledosis, som folk udsættes for,” sagde França. “Der er nogle materialer, der har denne evne til at absorbere stråling og gemme disse oplysninger i en vis tid.”
Han blev snart fascineret af, hvordan gennem optiske teknikker – der – at have et lys – kunne manipulere og “læse” disse oplysninger.
“Når krystallen absorberer tilstrækkelig energi, frigiver den elektroner og huller. Og disse ladninger fanges af manglerne,” sagde França. “Vi kan læse disse oplysninger. Du kan frigive elektronerne, og vi kan læse oplysningerne på optiske midler.”
França så snart potentialet for hukommelseslagring. Han bragte dette ikke-kvantum arbejde ind i Zhongs Quantum Laboratory for at skabe en tværfaglig innovation ved hjælp af kvanteteknikker til at opbygge klassiske minder.
“Vi opretter en ny type mikroelektronisk enhed, en kvanteinspireret teknologi,” sagde Zhong.
Sjælden jord
For at skabe den nye hukommelsesopbevaringsteknik tilføjede teamet ioner af “Rare Earth”, en gruppe af elementer, også kendt som Lanthanides, til en krystal.
Specifikt brugte de et sjældent-jord-element kaldet praseodymium og et yttriumoxidkrystall, men processen, de rapporterede, kunne bruges med en række forskellige materialer, der drage fordel af sjældne jordarters kraftfulde, fleksible optiske egenskaber.
“Det er velkendt, at sjældne jordarter præsenterer specifikke elektroniske overgange, der giver dig mulighed for at vælge specifikke laser-excitationsbølgelængder til optisk kontrol, fra UV op til næsten infrarøde regimer,” sagde França.
I modsætning til med dosimetre, der typisk aktiveres af røntgenstråler eller gammastråler, aktiveres her opbevaringsenheden af en simpel ultraviolet laser. Laseren stimulerer lanthaniderne, som igen frigiver elektroner. Elektronerne er fanget af nogle af oxidkrystallens defekter, for eksempel de enkelte huller i strukturen, hvor et enkelt iltatom skal være, men ikke.
“Det er umuligt at finde krystaller – i natur eller kunstige krystaller – der ikke har mangler,” sagde França. “Så hvad vi laver er, at vi drager fordel af disse defekter.”
Mens disse krystaldefekter ofte bruges i kvanteforskning, sammenfiltret for at skabe “qubits” i perler fra strakt diamant til spinel, fandt Uchicago PME -teamet en anden anvendelse. De var i stand til at guide, når der ikke blev opkrævet mangler, og som ikke var. Ved at udpege et ladet hul som “en” og et uladet kløft som “nul”, var de i stand til at omdanne krystallen til en kraftfuld hukommelseslagringsenhed på en skala, der er uset i klassisk computing.
“Inden for denne millimeterterning demonstrerede vi, at der er omkring mindst en milliard af disse minder – klassiske minder, traditionelle minder – baseret på atomer,” sagde Zhong.