Satu triliun bit dalam setitik kristal – masa depan penyimpanan data

Para ilmuwan telah menemukan cara untuk menggunakan atom tunggal yang hilang dalam kristal sebagai sel memori, mengemas terabyte data ke dalam kubus berukuran milimeter.

Dengan memanfaatkan elemen tanah jarang dan aktivasi berbasis cahaya, mereka menciptakan sistem penyimpanan tidak seperti apa pun yang terlihat dalam komputasi klasik.

Merevolusi penyimpanan: dari kartu punch ke atom

Dari alat tenun yang digerakkan oleh kartu Punch tahun 1800-an hingga smartphone saat ini, penyimpanan data selalu mengandalkan prinsip sederhana: objek yang dapat beralih antara status “ON” dan “OFF” dapat digunakan untuk menyimpan informasi.

Di komputer modern, kode biner – yang dan nol – mengambil bentuk fisik yang berbeda. Dalam laptop, transistor mewakili negara -negara ini dengan beroperasi pada tegangan tinggi atau rendah. Pada cakram yang ringkas, “satu” muncul di mana transisi pit indentasi kecil ke permukaan datar, sedangkan “nol” adalah wilayah tanpa perubahan.

Secara tradisional, ukuran fisik komponen biner ini telah membatasi berapa banyak data yang dapat disimpan perangkat. Sekarang, para peneliti di Universitas ChicagoPritzker School of Molecular Engineering (Uchicago PME) telah mengembangkan metode untuk mengkodekan dan nol menggunakan cacat kristal – ketidaksempurnaan pada tingkat atom. Terobosan ini dapat secara signifikan meningkatkan kapasitas penyimpanan memori komputer klasik.

Temuan mereka diterbitkan pada 14 Februari di Nanofotonik.

Satu atom yang hilang memegang memori

“Setiap sel memori adalah satu yang hilang atom – Cacat tunggal, “kata Uchicago PME Asst.

Inovasi ini adalah contoh sebenarnya dari penelitian interdisipliner PME Uchicago, menggunakan teknik kuantum untuk merevolusi komputer klasik, non-kuantum dan mengubah penelitian tentang dosimeter radiasi-paling umum dikenal sebagai perangkat yang menyimpan berapa banyak pekerja rumah sakit radiasi yang menyerap dari mesin sinar-X-ke dalam penyimpanan memori mikroelektronik yang inovatif.

“Kami menemukan cara untuk mengintegrasikan fisika solid-state yang diterapkan pada dosimetri radiasi dengan kelompok penelitian yang bekerja sangat kuat dalam kuantum, meskipun pekerjaan kami bukan kuantum,” kata penulis pertama Leonardo França, seorang peneliti postdoctoral di lab Zhong. “Ada permintaan untuk orang-orang yang melakukan penelitian tentang sistem kuantum, tetapi pada saat yang sama, ada permintaan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan ingatan klasik yang tidak mudah menguap.

“Sekarang kamu bisa mengemas terabyte bit dalam kubus kecil bahan yang hanya satu milimeter.”

Asst. Prof. Tian Zhong

Dari dosimetri radiasi ke penyimpanan optik

Penelitian ini dimulai selama penelitian PhD França di University of São Paulo di Brasil. Dia sedang mempelajari dosimeter radiasi, perangkat yang menyimpan berapa banyak pekerja radiasi di rumah sakit, sinkrotron, dan fasilitas radiasi lainnya yang diterima di tempat kerja.

“Di rumah sakit dan akselerator partikel, misalnya, diperlukan untuk memantau seberapa banyak dosis radiasi yang terpapar,” kata França. “Ada beberapa bahan yang memiliki kemampuan ini untuk menyerap radiasi dan menyimpan informasi itu untuk waktu tertentu.”

Memanfaatkan cahaya untuk menyimpan data

Dia segera menjadi terpesona tentang bagaimana melalui teknik optik – menyinari cahaya – dia bisa memanipulasi dan “membaca” informasi itu.

“Ketika kristal menyerap energi yang cukup, ia melepaskan elektron dan lubang. “Kami dapat membaca informasi itu.

França segera melihat potensi penyimpanan memori. Dia membawa pekerjaan non-kuantum ini ke laboratorium kuantum Zhong untuk menciptakan inovasi interdisipliner menggunakan teknik kuantum untuk membangun ingatan klasik.

“Kami membuat jenis baru perangkat mikroelektronik, teknologi yang terinspirasi kuantum,” kata Zhong.

Elemen Bumi Jarang: Kunci Penyimpanan Terobosan

Untuk membuat teknik penyimpanan memori baru, tim menambahkan ion “tanah jarang,” sekelompok elemen yang juga dikenal sebagai lanthanides, ke kristal.

Secara khusus, mereka menggunakan elemen langka-bumi yang disebut praseodymium dan kristal yttrium oksida, tetapi proses yang mereka laporkan dapat digunakan dengan berbagai bahan, mengambil keuntungan dari sifat optik yang kuat dan fleksibel dari tanah jarang.

“Telah diketahui bahwa tanah jarang menghadirkan transisi elektronik spesifik yang memungkinkan Anda untuk memilih panjang gelombang eksitasi laser spesifik untuk kontrol optik, dari UV hingga rezim inframerah dekat,” kata França.

Menjebak elektron untuk retensi data

Tidak seperti dosimeter, yang biasanya diaktifkan oleh sinar-X atau sinar gamma, perangkat penyimpanan diaktifkan oleh laser ultraviolet sederhana. Laser merangsang lanthanides, yang pada gilirannya melepaskan elektron. Elektron terperangkap oleh beberapa cacat kristal oksida, misalnya, celah individu dalam struktur di mana atom oksigen tunggal seharusnya, tetapi tidak.

“Tidak mungkin menemukan kristal – di alam atau kristal buatan – yang tidak memiliki cacat,” kata França. “Jadi yang kami lakukan adalah kami mengambil keuntungan dari cacat ini.”

Satu miliar bit di kubus kecil

Sementara cacat kristal ini sering digunakan dalam penelitian kuantum, terjerat untuk membuat “qubit” dalam permata dari berlian peregangan ke spinel, tim PME Uchicago menemukan penggunaan lain. Mereka dapat membimbing ketika cacat dituntut dan ketika tidak. Dengan menetapkan celah yang bermuatan sebagai “satu” dan celah yang tidak bermuatan sebagai “nol,” mereka dapat mengubah kristal menjadi perangkat penyimpanan memori yang kuat pada skala yang tidak terlihat dalam komputasi klasik.

“Di dalam kubus milimeter itu, kami menunjukkan ada sekitar setidaknya satu miliar ingatan ini – kenangan klasik, ingatan tradisional – berdasarkan atom,” kata Zhong.

Referensi: “Kontrol All-Optical dari Cacat Penjebakan Muatan pada Oksida Doped Rare-Earth” oleh Leonardo vs França, Shaan Doshi, Haitao Zhang dan Tian Zhong, 14 Februari 2025, Nanofotonik.
Doi: 10.1515/nanoph-2024-0635

Pendanaan: Pekerjaan ini didukung oleh Departemen Energi AS, Kantor Sains, untuk dukungan penelitian mikroelektronika, berdasarkan Kontrak No. DE-AC0206CH11357