Учёные из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Прицкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета предложили новый тип памяти, в котором оптические данные передаются от редкоземельного элемента к квантовому дефекту.

Анализ того, как может работать такая технология, опубликован в журнале Physical Review Research.

Мы выяснили, как энергия передаётся между дефектами — это может быть основой для эффективного метода хранения данных, — говорит Джулия Галли, старший научный сотрудник Аргонне и профессор семьи Лью в PME.

Исследование показывает, как важно изучать фундаментальные и квантово-механические теории для развития новых технологий.

В прошлом были разработаны оптические методы хранения данных, такие как CD и DVD, но они ограничены дифракционным пределом света. Это значит, что размер одной точки данных не может быть меньше длины волны лазера.

В новой работе исследователи предложили увеличить плотность битов в оптических накопителях с помощью излучателей, встроенных в материал. Используя разные длины волн света (мультиплексирование), эти излучатели могут хранить больше данных на одной и той же площади.

Чтобы показать, что подход осуществим, Галли и её коллеги изучили, какие физические требования нужны для эффективного и плотного оптического хранения данных. Они создали модель материала с атомами узкополосных редкоземельных излучателей. Эти атомы поглощают свет и излучают его на определённых длинах волн. Исследователи показали, как этот свет может быть захвачен квантовым дефектом.

Джулия Галли отметила важность изучения первопринципных и квантово-механических теорий для понимания новых технологий.

Исследователи объединили теории электронной структуры и квантово-механические теории, чтобы предсказать, как энергия перемещается между излучателями и дефектами и как дефекты сохраняют захваченную энергию.

Сварнабха Чаттарадж, постдок из Аргонна, пояснил:

Мы хотели разработать теорию для предсказания передачи энергии между эмиттерами и дефектами. Эта теория поможет нам определить правила проектирования новых оптических запоминающих устройств.

Учёные хорошо понимают, как квантовые дефекты в твёрдом материале обычно взаимодействуют со светом. Но они не изучали их поведение, когда свет исходит от очень близкого источника — узкополосных редкоземельных излучателей, встроенных всего в нескольких нанометрах от дефектов.

Супратик Гуха, старший советник Управления физических и инженерных наук Аргонна и профессор PME, считает, что передача энергии в ближнем поле происходит по другим правилам симметрии, чем в дальнем поле.

Группа обнаружила, что когда квантовые дефекты поглощают энергию от атомов, они возбуждаются и переворачивают своё спиновое состояние. Этот переход трудно обратить вспять, поэтому дефекты могут хранить данные долго.

Благодаря длине волны света, излучаемого узкополосными редкоземельными излучателями, а также размеру дефектов, система может обеспечить более плотное хранение данных по сравнению с другими оптическими подходами.

Прежде чем применять эту технологию для создания оптической памяти, нужно ответить на два вопроса: как долго сохраняется возбуждённое состояние и как считывать данные, — говорит Чаттарадж.

Но уже само понимание процесса передачи энергии в ближнем поле — это большое достижение.