Budúcnosť úložísk? Stovky terabajtov v kryštáli menšom ako zrnko ryže

Vedci objavili spôsob, ako ukladať dáta v miniatúrnych kryštáloch len za pomoci svetla. Využiť na to dokážu nábojové pasce v materiáloch dopovaných vzácnymi zeminami.

Tento objav by mohol spôsobiť revolúciu v optickom ukladaní dát a dokonca zlepšiť stabilitu kvantových technológií.

V pevných látkach sa prirodzene vyskytujú tzv. nábojové pasce, teda defekty v kryštálovej mriežke, ktoré dokážu dočasne zachytiť elektróny. Tieto pasce zohrávajú kľúčovú úlohu v technológiách, ako sú optické pamäte, senzory či kvantové počítače. Vedci zistili, že v materiáli yttriumoxid (Y₂O₃) dopovanom prazeodymom (Pr³⁺) je možné tieto pasce aktivovať a deaktivovať len pomocou svetla.

V experimente prebiehalo nabíjanie materiálu ultrafialovým (UV) žiarením s vlnovými dĺžkami v rozmedzí 200 – 375 nm, pričom elektróny sa „uväznili“ v kryštálovej mriežke. Následne vedci tieto elektróny uvoľnili prostredníctvom opticky stimulovanej luminiscencie (OSL) pri použití zeleného laseru s vlnovou dĺžkou 532 nm. Výsledkom bol riadený proces zachytávania a uvoľňovania nábojov, ktorý môže mať zásadný význam pre nové technológie ukladania dát.

Vedci dokázali, že tento proces je extrémne efektívny, na aktiváciu pastí stačí len minimálny výkon optického žiarenia (~5 μW/cm²). Už aj veľmi slabé svetlo tak dokáže meniť stav materiálu, čo otvára dvere k novej generácii nízkoenergetických pamäťových zariadení. Navyše, keďže všetko prebieha výhradne opticky, technológia môže byť miniaturizovaná a využitá v nanofotonických systémoch, ako sú optické čipy či kvantové procesory.

Experimenty ukázali, že optické nabíjanie je dostatočne stabilné na viacnásobné čítanie uložených informácií. Vedcom sa podarilo prečítať ten istý „bit“ 100-krát, než sa informácia začala strácať. Ako dlho však takéto médium udrží informácie uložené bez opakovanej stimulácie, než začnú dáta degradovať, štúdia bližšie nešpecifikovala.

Táto technológia má potenciál ovplyvniť aj ďalší vývoj kvantových počítačov. Pri kvantových počítačoch a komunikácii sa častokrát využívajú ióny vzácnych zemín ako kvantové bity (qubity), no ich stabilitu narúša elektrický šum z okolia. Možnosť opticky riadiť lokálne elektrické prostredie v kryštále by mohla výrazne zlepšiť koherenciu kvantových stavov, čím by sa znížila chybovosť kvantových výpočtov.

Cieľom výskumného tímu je v tejto chvíli zistiť, do akej miery je túto technológiu možné škálovať a potenciálne časom posunúť do komerčnej sféry. Čítanie a zápis dát pomocou lasera, je už pri optických diskoch bežne využívané a nákladná by nebola ani produkcia kryštáľov. Väčšinu nákladov bude tvoriť získavanie prvkov vzácnych zemín a navrhnutie spôsobu, ako zaviesť túto technológiu do hromadnej výroby.

Ak sa to vedcom podarí, kryštáľ by mohol byť podľa vedcov vyrobený v tvare disku, ktorý budú môcť čítať aj cenovo dostupné čítačky. Keďže v aktuálne testovanom kryštáli o veľkosti 40mm³ môžu uschovať stovky petabajtov dát, vedci počítajú s tým, že komerčné disky by napokon mohli ponúknuť kapacitu niekde na úrovni 260 TB. Z dnešného pohľadu sa zdá byť takáto kapacita v komerčných pamäťových riešeniach neprestaviteľná.