Учёные предложили новый тип устройства для хранения данных, использующий мощные свойства квантовой механики.
Это оптическое запоминающее устройство с ультравысокой плотностью будет состоять из множества ячеек памяти, каждая из которых содержит редкоземельные элементы, внедрённые в твёрдый материал — в данном случае, кристаллы оксида магния (MgO). Редкоземельные элементы излучают фотоны, или частицы света, которые поглощаются близлежащими «квантовыми дефектами» — пустотами в кристаллической решётке с несвязанными электронами, которые возбуждаются при поглощении света.
Современные методы оптического хранения данных, такие как CD и DVD, ограничены дифракционным пределом света, что означает, что одна единица данных не может быть меньше длины волны лазера, используемого для записи и чтения данных. Однако учёные предположили, что оптические диски могли бы хранить больше данных на той же площади, используя технику «мультиплексирования по длине волны», при которой применяются различные длины волн света в комбинации.
Теперь исследователи предлагают, что в кристаллы оксида магния (MgO) можно встроить узкополосные редкоземельные излучатели. Эти элементы излучают свет на определённых длинах волн, которые можно плотно упаковать вместе. Ученые опубликовали свои результаты 14 августа в журнале Physical Review Research.
«Мы выяснили основную физику того, как передача энергии между дефектами может лежать в основе невероятно эффективного метода оптического хранения», — заявила соавтор исследования Джулия Галли (Giulia Galli), профессор Инженерной школы Молекулярных технологий Притцкера при Чикагском университете.
В исследовании была смоделирована динамика распространения света на наноуровне, чтобы понять, как энергия передается между редкоземельными эмиттерами и квантовыми дефектами в материале, а также как квантовые дефекты сохраняют захваченную энергию, добавила Галли.
Учёные уже понимали, как квантовые дефекты в твердых материалах взаимодействуют со светом. Однако они не изучали, как меняется поведение квантовых дефектов, когда источник света находится невероятно близко, например, когда узкополосные редкоземельные эмиттеры встроены на расстоянии всего нескольких нанометров (миллионных долей миллиметра).
Фотоны в данном случае значительно меньше, чем фотоны обычных лазеров. Для сравнения, фотоны от стандартного оптического или ближнего инфракрасного лазерного излучателя обычно имеют размер от 500 нанометров до 1 микрометра (тысячная доля миллиметра). Таким образом, новое исследование может привести к созданию устройств для хранения данных, плотность которых в 1000 раз выше по сравнению с ранее возможной.
Учёные обнаружили, что, когда квантовые дефекты поглощали узкополосную энергию, испускаемую близлежащими редкоземельными элементами, они переходили из основного состояния в возбужденное состояние со спином. Поскольку переход в это спиновое состояние трудно обратить вспять, такие дефекты потенциально могут хранить данные в течение длительного времени — хотя для точного измерения этого процесса потребуются дополнительные исследования, отметили специалисты. Кроме того, узкополосные редкоземельные эмиттеры создают свет с меньшей длиной волны, что позволяет использовать более плотный метод хранения данных по сравнению с другими оптическими подходами.
Большинство квантовых технологий работают при температурах, близких к абсолютному нулю, что подавляет декогеренцию и дефазировку — процессы, которые ведут к искажению и потере информации в квантовой системе. Чтобы технология на основе этого исследования была жизнеспособной, она должна функционировать при комнатной температуре.
«Для того чтобы начать применять это в разработке оптической памяти, нам всё ещё предстоит ответить на несколько фундаментальных вопросов, например, как долго сохраняется это возбужденное состояние и как считывать данные, — сказал соавтор исследования, постдокторант Аргоннской национальной лаборатории Сварнабха Чаттарадж (Swarnabha Chattaraj). — Но понимание процесса передачи энергии в ближнем поле — это огромный первый шаг.»
