Naukowcy opracowali obiecującą nową technologię pamięci optycznej, wykorzystującą pierwiastki ziem rzadkich i defekty kwantowe, aby umożliwić gęstsze i wydajniejsze przechowywanie danych.
To innowacyjne podejście wykorzystuje multipleksowanie długości fali w celu zwiększenia gęstości bitowej w porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak płyty CD i DVD, przy czym modele teoretyczne wspierają potencjał transferu energii bliskiego pola w celu długotrwałego przechowywania danych.
Wprowadzenie do ewolucji pamięci optycznej
Ponieważ nasz cyfrowy świat generuje niewiarygodnie ogromne ilości danych — ponad 2 tryliony bajtów (2 miliardy gigabajtów) nowej treści każdego dnia — dotychczasowe technologie przechowywania danych szybko osiągają swoje granice. Urządzenia pamięci optycznej, które wykorzystują światło do odczytu i zapisu danych, oferują potencjał trwałego, szybkiego i energooszczędnego przechowywania.
Teraz badacze z Uniwersytet w Chicago Szkoła Inżynierii Molekularnej Pritzkera (PME) i Narodowe Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) zaproponowały nowy typ pamięci, w której dane optyczne są przenoszone z pierwiastka ziem rzadkich osadzonego w materiale stałym do pobliskiego defektu kwantowego. W czasopiśmie opublikowano ich analizę możliwości działania takiej technologii Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
„Opracowaliśmy podstawy fizyki stojące za tym, jak transfer energii między defektami może leżeć u podstaw niezwykle wydajnej metody przechowywania optycznego” – powiedziała Giulia Galli, starszy naukowiec w firmie Argonne i profesor rodziny Liew w PME. „To badanie ilustruje znaczenie badania podstawowych zasad i teorii mechaniki kwantowej w celu naświetlenia nowych, pojawiających się technologii”.
Zwiększanie gęstości bitowej w urządzeniach optycznych
Większość opracowanych w przeszłości metod przechowywania w pamięci optycznej, w tym płyt CD i DVD, jest ograniczona przez granicę dyfrakcji światła. Pojedynczy punkt danych nie może być mniejszy niż długość fali lasera zapisującego i odczytującego dane. W nowej pracy naukowcy zaproponowali zwiększenie gęstości bitowej pamięci optycznej poprzez osadzenie w materiale wielu emiterów metali ziem rzadkich. Wykorzystując nieco inne długości fal światła – podejście znane jako multipleksowanie długości fali – postawili hipotezę, że te emitery mogą pomieścić więcej danych na tym samym obszarze.
Aby wykazać wykonalność tego podejścia, Galli i jej współpracownicy najpierw przestudiowali wymagania fizyczne niezbędne do wydajnego i gęstego przechowywania optycznego. Stworzyli modele materiału teoretycznego przeplatanego atomami wąskopasmowych emiterów metali ziem rzadkich. Atomy te pochłaniają światło i ponownie emitują je przy określonych, wąskich długościach fal. Naukowcy pokazali, w jaki sposób to światło o wąskiej długości fali może zostać wychwycone przez pobliski defekt kwantowy.
„To badanie ilustruje znaczenie badania podstawowych zasad i teorii mechaniki kwantowej w celu naświetlenia nowych, pojawiających się technologii”.
Giulia Galli, starszy naukowiec Argonne i profesor rodziny Liew w PME
Podstawy teoretyczne i modelowanie predykcyjne
Przewidywania wynikające z badania uzyskano poprzez połączenie teorii struktury elektronowej opartych na pierwszych zasadach w celu mapowania stanów pochłaniania defektów z teoriami mechaniki kwantowej w celu modelowania propagacji światła w skali nanometrowej. Opracowując takie nowatorskie modele teoretyczne, zespół był w stanie lepiej zrozumieć zasady rządzące transportem energii między emiterami a defektami, a także sposobem, w jaki defekty przechowują wychwyconą energię.
„Chcieliśmy opracować niezbędną teorię, aby przewidzieć, jak działa transfer energii między emiterami a defektami” – powiedziała Swarnabha Chattaraj, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Argonne. „Teoria ta pozwoliła nam następnie ustalić zasady projektowania potencjalnie opracowywanych nowych pamięci optycznych”.
Mechanika kwantowa i transfer energii bliskiego pola
Chociaż naukowcy dobrze rozumieją, w jaki sposób defekty kwantowe w materiale stałym zazwyczaj oddziałują ze światłem, nie badali wcześniej, jak zmienia się ich zachowanie, gdy światło pochodzi z niewiarygodnie bliskiego źródła, takiego jak wąskopasmowe emitery metali ziem rzadkich wbudowane w kilka nanometrów dalej. „Uważa się, że tego rodzaju transfer energii w polu bliskim podlega innym zasadom symetrii niż bardziej powszechnie znane procesy w polu dalekim” – powiedział Supratik Guha, starszy naukowiec firmy Argonne i doradca Dyrekcji Nauk Fizycznych i Inżynierii firmy Argonne oraz profesor PME.
Rzeczywiście, grupa odkryła, że kiedy defekty kwantowe absorbują wąskie pasmo energii z pobliskich atomów, nie tylko ulegają wzbudzeniu ze stanu podstawowego, ale także zmieniają swój stan spinu. To przejście stanu spinu jest trudne do odwrócenia, co sugeruje, że defekty te mogą przechowywać dane przez długi czas. Ponadto ze względu na mniejsze długości fal światła emitowane przez wąskopasmowe emitery metali ziem rzadkich, a także niewielki rozmiar defektów, system może zapewnić gęstszą metodę przechowywania danych niż inne podejścia optyczne.
„Aby zacząć stosować tę metodę do rozwoju pamięci optycznej, musimy jeszcze odpowiedzieć na dodatkowe podstawowe pytania dotyczące tego, jak długo pozostaje ten stan wzbudzony i jak odczytujemy dane” – powiedział Chattaraj. „Ale zrozumienie procesu transferu energii w bliskim polu to ogromny pierwszy krok”.
Odniesienie: „Badanie pierwszych zasad transferu energii bliskiego pola między zlokalizowanymi emiterami kwantowymi w ciałach stałych” autorstwa Swarnabha Chattaraj, Supratik Guha i Giulia Galli, 14 sierpnia 2024 r., Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033170
Praca ta została sfinansowana przez Biuro Naukowe DOE w celu wsparcia badań nad mikroelektroniką.
