Ученые предложили новый тип устройства хранения данных, использующий мощные свойства квантовой механики. Новое предложение основано на принципах квантовой механики и технологии, называемой «мультиплексированием по длине волны», для выдвижения гипотезы о новом сверхплотном формате хранения.
Устройство оптической памяти сверхвысокой плотности будет состоять из многочисленных ячеек памяти, каждая из которых будет содержать редкоземельные элементы, встроенные в твердый материал — в данном случае кристаллы оксида магния (MgO). Редкоземельные элементы испускают фотоны или частицы света, которые поглощаются близлежащими «квантовыми дефектами» — вакансиями в кристаллической решетке, содержащими несвязанные электроны, которые возбуждаются поглощением света.
Современные методы хранения оптической памяти, такие как CD и DVD, ограничены дифракционным пределом света, что означает, что отдельный фрагмент данных, хранящийся на устройстве, не может быть меньше длины волны лазера, считывающего и записывающего данные. Однако ученые выдвинули гипотезу, что оптические диски могут хранить больше данных в той же области, используя технику, называемую «мультиплексированием по длине волны», в которой немного разные длины волн света используются в сочетании.
Теперь исследователи предполагают, что MgO может быть перемежен узкополосными редкоземельными излучателями. Эти элементы излучают свет на определенных длинах волн, которые могут быть плотно упакованы вместе. Ученые опубликовали свои выводы в журнале Physical Review Research.
«Мы разработали базовые физические принципы, лежащие в основе передачи энергии между дефектами, которые могут лечь в основу невероятно эффективного метода оптического хранения», — говорится в заявлении соавтора исследования Джулии Галли, профессора Школы молекулярной инженерии имени Притцкера Чикагского университета.
Галли добавил, что в ходе исследования было смоделировано распространение света в нанометровом масштабе, чтобы понять, как энергия перемещается между редкоземельными излучателями и квантовыми дефектами внутри материала, а также как квантовые дефекты сохраняют захваченную энергию.
Ученые уже поняли, как квантовые дефекты в твердых материалах взаимодействуют со светом. Но они не изучали, как поведение квантовых дефектов меняется, когда источник света находится невероятно близко, например, узкополосные редкоземельные излучатели, встроенные на расстоянии нескольких нанометров (миллионная часть миллиметра).
Фотоны намного меньше обычных лазерных фотонов. Для сравнения, фотоны от обычного оптического или ближнего инфракрасного лазерного излучателя имеют тенденцию быть от 500 нм до 1 микрометра (тысячная доля миллиметра). Таким образом, это новое исследование может привести к устройствам хранения данных в 1000 раз более плотным, чем это было возможно ранее.
Ученые обнаружили, что когда квантовые дефекты поглощали узкую полосу энергии, излучаемую близлежащими редкоземельными элементами, они возбуждались из своего основного состояния и переходили в спиновое состояние. Поскольку переход спинового состояния трудно обратить вспять, эти дефекты потенциально могли бы хранить данные в течение полезного периода — хотя для измерения этого потребуются дополнительные работы, сказал ученый. Кроме того, узкополосные редкоземельные излучатели генерируют меньшие длины волн света, что позволяет использовать более плотный метод хранения данных, чем другие оптические подходы.
Большинство квантовых технологий работают при температуре, близкой к абсолютному нулю , что подавляет декогеренцию и дефазировку — искажение и потерю информации в квантовой системе. Чтобы технология, основанная на этом исследовании, была жизнеспособной, она должна работать при комнатной температуре.
«Чтобы начать применять это для разработки оптической памяти, нам все еще нужно ответить на дополнительные базовые вопросы о том, как долго сохраняется это возбужденное состояние и как мы считываем данные», — говорится в заявлении соавтора Сварнабхи Чаттарадж из Аргоннской национальной лаборатории. «Но понимание этого процесса передачи энергии в ближнем поле — это огромный первый шаг».
