Американські дослідники розробили спосіб зберігання та зчитування даних з окремих атомів, вбудованих у крихітні кристали розміром у кілька міліметрів.

Масштабування цієї технології незабаром може відкрити шлях до надщільних систем зберігання даних, здатних вміщувати петабайти інформації на одному накопичувачі. Так, об'єм у 1 петабайт еквівалентний приблизно 5 тис. фільмів із роздільною здатністю 4K.

Кодування даних у вигляді одиниць та нулів набуло поширення від самого початку розвитку обчислювальної техніки. Та якщо раніше для цього використовувались носії з електронними лампами, крихітними електронними транзисторами та компакт-диски, поглиблення на поверхні яких представляли одиниці, а гладкі ділянки - нулі, наразі науковці звертаються до технологій квантової фізики.

У новій розробці дослідники використали електрон, захоплений дефектом у кристалі, який представляє собою одиницю, тоді як відсутність електрона - представляє нуль. Таким чином, науковці поєднали фізику твердих тіл з технологіями зберігання даних на квантовому рівні.

Ефективність технології забезпечується за допомогою випромінювання лазера з певною кількістю енергії, яка приводить електрон у стан збудження. У цей момент зчитувальний пристрій реєструє наявність світла. Відсутність світла свідчить про відсутність захопленого електрона. Такий спосіб ефективно працює лише за наявності у кристалі відповідних дефектів, зокрема таких, як киснева вакансія та сторонні домішки, що перетворюють кристал на напівпровідник.

«Ці дефекти надають дуже хороші характеристики. Однією з них є здатність зберігати заряд», - пояснює провідний автор дослідження, науковий співробітник з фізики в університеті Чикаго Леонардо Франса. 

Дослідники використали іони рідкоземельних металів у якості легуючих добавок до матеріала, щоб змінити його властивості. Ключовим був спосіб збудження електрона за допомогою іона рідкоземельного металу із метою його подальшого утримання.

«Ми повинні забезпечити достатню кількість енергії, щоб звільнити електрон із рідкісноземельного іона, і дефект - довколишній дефект - відреагує на це. Так що ви захоплюєте електрон власним електричним полем. Це частина запису», - зазначає Леонардо Франса. 

Після цього починається зчитування даних. За словами Франса, необхідно використати інше джерело світла для звільнення електрона від дефекта, що призводить до перерозподілу зарядів та забезпечує випромінювання світла.

Які проблеми залишаються на шляху до створення передових пристроїв для зберігання даних

Однією з ключових проблем представленої технології залишається те, що дані стираються під час зчитування інформації. Як зазначає Леонардо Франса, частковим вирішенням проблеми є зменшення кількості світла, що дозволяє обмежити втрату даних.

За його словами, інформація з часом зникала б, подібно до того, як зникають дані, які зберігаються на стрічках протягом 10-30 років.

Дослідники використовували рідкоземельний елемент празеодім і кристал оксиду іттрію. Однак з тим самим успіхом можна було б використовувати інші кристали нерідкоземельних елементів з іншими нелегуючими домішками. Перевагою ж саме рідкоземельних елементів є заздалегідь відомі довжини хвиль, що дозволяє збуджувати електрони за допомогою традиційних лазерів.

Першочерговою метою науковців було використання окремих атомів, вбудованих у кристали, однак наразі вона залишається недосягнутою. На думку Леонардо Франса, наразі розробники знаходяться на правильному шляху.

Науковець підкреслив, що інтерес до подальших досліджень зумовлений змогою масштабувати технологію, яка згодом може призвести до створення недорогих пристроїв для зберігання даних у великих об'ємах. Гарним у цьому є те, що розрахунки із використанням лазерних технологій добре вивчені і не надто дорогі.

Масштабування виробництва відповідних кристалів також обіцяє бути економічно доцільним. Це дозволяє зберігти кошти на придбання рідкоземельних елементів і розробку способів керування дефектами у кристалах. Якщо наявні проблеми вдасться вирішити, кристал можна буде створити у вигляді диска.

«У нашому кристалі, де у нас близько 40 мм³, ми могли б зберігати кілька сотень терабайт», - підкреслив Леонардо Франса. 

За його розрахунками, наразі доступний об'єм складає близько 260 терабайтів. Розробник додав, що щільність дефектів можна легко збільшити. Це, звичайно, призведе до можливості зберігання петабайтів даних на одному пристрої розміром із диск.