El avance de inspiración cuántica convierte las brechas de cristal en almacenamiento de terabyte para la memoria clásica

Desde telares operados con tarjeta perforada en el siglo XIX hasta los teléfonos celulares modernos, si un objeto tiene un estado «encendido» y «desactivado», se puede usar para almacenar información.

En una computadora portátil de computadora, los binarios y los ceros son transistores que se ejecutan a bajo o alto voltaje. En un disco compacto, el uno es un lugar donde un pequeño «pozo» sangrado se convierte en una «tierra» plana o viceversa, mientras que un cero es cuando no hay cambios.

Históricamente, el tamaño del objeto que hace los «los» y los «ceros» han puesto un límite al tamaño del dispositivo de almacenamiento. Pero ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago Pritzker (UCHiCago PME) han explorado una técnica para hacer que los defectos de cristal sean cero, cada uno del tamaño de un átomo individual para aplicaciones clásicas de memoria de computadora.

Su investigación fue publicado hoy en Nanofotónica.

«Cada celda de memoria es un solo átomo faltante, un defecto único», dijo Uchicago PME Asst. Prof. Tian Zhong. «Ahora puede empacar terabytes de brocas dentro de un pequeño cubo de material que tiene solo un tamaño de milímetro».

La innovación es un verdadero ejemplo de la investigación interdisciplinaria de Uchicago PME, utilizando técnicas cuánticas para revolucionar las computadoras clásicas y no cuantitales y la investigación de la investigación sobre los dosimetros de radiación), la mayoría comúnmente conocida como los dispositivos que almacenan la cantidad de radiaciones que los trabajadores del hospital absorben de las máquinas de rayos X— en el innovador almacenamiento de memoria microelectrónica.

«Encontramos una manera de integrar la física de estado sólido aplicada a la dosimetría de radiación con un grupo de investigación que trabaja fuertemente en Quantum, aunque nuestro trabajo no es exactamente cuántico», dijo el primer autor Leonardo França, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhong. «Hay una demanda de personas que están investigando sobre sistemas cuánticos, pero al mismo tiempo, existe una demanda de mejorar la capacidad de almacenamiento de recuerdos clásicos no volátiles. Y está en esta interfaz entre el almacenamiento de datos cuánticos y ópticos donde nuestro El trabajo está castigado «.

Desde dosimetría de radiación hasta almacenamiento óptico

La investigación comenzó durante el Ph.D. de França. Investigación en la Universidad de São Paulo en Brasil. Estaba estudiando dosímetros de radiación, los dispositivos que monitorean pasivamente cuánto los trabajadores de radiación en hospitales, sincronos y otras instalaciones de radiación reciben en el trabajo.

«En los hospitales y en los aceleradores de partículas, por ejemplo, es necesario monitorear cuánta dosis de radiación a la que las personas están expuestas», dijo França. «Hay algunos materiales que tienen esta capacidad para absorber la radiación y almacenar esa información durante un cierto período de tiempo».

Pronto se fascinó sobre cómo a través de las técnicas ópticas, alquilar una luz, podría manipular y «leer» esa información.

«Cuando el cristal absorbe suficiente energía, libera electrones y agujeros. Y estas cargas son capturadas por los defectos», dijo França. «Podemos leer esa información. Puede liberar los electrones y podemos leer la información por medios ópticos».

França pronto vio el potencial de almacenamiento de memoria. Trajo este trabajo no cuantio al laboratorio cuántico de Zhong para crear una innovación interdisciplinaria utilizando técnicas cuánticas para construir recuerdos clásicos.

«Estamos creando un nuevo tipo de dispositivo microelectrónico, una tecnología de inspiración cuántica», dijo Zhong.

Tierra rara

Para crear la nueva técnica de almacenamiento de memoria, el equipo agregó iones de «tierras raras», un grupo de elementos también conocidos como lantánidos, a un cristal.

Específicamente, utilizaron un elemento de tierra rara llamada Prasodimio y un cristal de óxido de itrio, pero el proceso que informaron podría usarse con una variedad de materiales, aprovechando las propiedades ópticas poderosas y flexibles de las tierras raras.

«Es bien sabido que las tierras raras presentan transiciones electrónicas específicas que le permiten elegir longitudes de onda de excitación láser específicas para el control óptico, desde UV hasta regímenes de infrarrojo cercano», dijo França.

A diferencia de los dosímetros, que generalmente se activan por rayos X o rayos gamma, aquí el dispositivo de almacenamiento se activa mediante un láser ultravioleta simple. El láser estimula los lantánidos, que a su vez liberan electrones. Los electrones están atrapados por algunos de los defectos del cristal de óxido, por ejemplo, los espacios individuales en la estructura donde debe estar un solo átomo de oxígeno, pero no lo es.

«Es imposible encontrar cristales, en la naturaleza o los cristales artificiales, que no tienen defectos», dijo França. «Entonces, lo que estamos haciendo es aprovechar estos defectos».

Si bien estos defectos de cristal a menudo se usan en la investigación cuántica, enredados para crear «qubits» en gemas desde diamantes estirados hasta espinelas, el equipo de Uchicago PME encontró otro uso. Pudieron guiar cuando se cargaron defectos y que no lo estaban. Al designar una brecha cargada como «una» y una brecha sin carga como «cero», pudieron convertir el cristal en un poderoso dispositivo de almacenamiento de memoria en una escala invisible en la informática clásica.

«Dentro de ese cubo milímetro, demostramos que hay aproximadamente al menos mil millones de estos recuerdos (recuerdos clásicos, recuerdos tradicionales) basados ​​en átomos», dijo Zhong.