科学家们已经找到了一种将数百 TB 数据存储到微小晶体上的方法，并计划将其扩展到可以与现代计算兼容的光盘大小的设备。
该技术的工作原理是用特定能量照射激光，激发电子，然后将其“捕获”在结构中。此设备的扩展版本有一天可能会存储 PB 级数据。 （图片来源：Zhong Lab）
科学家们设计了一种方法来存储和读取嵌入仅几毫米大小的微小晶体中的单个原子的数据（其中 1 毫米等于 0.04 英寸）。如果扩大规模，有朝一日可能会产生超高密度存储系统，该系统能够在单个光盘上保存 PB 级数据，其中 1 PB 相当于大约 5000 部 4K 电影。
将数据编码为 1 和 0 与整个计算历史一样古老，唯一的区别是用于存储这些数据的介质——从闪烁的真空管、微小的电子晶体管，甚至是光盘 （CD），表面的凹坑代表 1，光滑度表示 0。
现在，人们正在寻找更密集的数据存储，这将科学家们引向亚原子世界。在 2 月 14 日发表在《纳米光子学》（Nanophotonics）杂志上的一项新研究中，研究人员使用被晶体缺陷捕获的电子来表示 1，没有捕获的电子表示 0。
科学家们说，这项工作的灵感来自量子技术。特别是，他们将应用于辐射剂量学的固态物理学与一个专门从事量子存储的研究小组相结合，但这项具体工作构建了经典计算内存。
该技术的工作原理是用特定能量照射激光，从而激发电子。此时，读取设备可能会记录光的存在。没有光意味着没有被捕获的电子。
这仅在晶体包含缺陷（例如氧空位或外来杂质）时起作用。“这些缺陷呈现出非常好的特征，”该研究的第一作者、芝加哥大学物理学博士后研究员莱昂纳多·弗兰萨 （Leonardo França）。“其中之一是存储电荷的能力。”
知道这一点后，该团队使用稀土离子作为掺杂剂——添加到材料中的杂质以改变其特性——关键在于设计一种方法来激发来自特定稀土离子的电子，使其被捕获。如果想象一下 CD 是如何工作的，这相当于创建了一个坑。
“我们必须提供足够的能量来从稀土离子中释放电子，而缺陷（附近的缺陷）会感应到这一点，”França 说。“所以你通过本征电场捕获电子。这是写作部分。
然后你开始读取数据。“基本上，你必须使用另一个光源，这样电子才会从缺陷中释放出来，”França 说。“这会导致电荷的重新组合，从而导致光的发射。”
构建未来的数据存储França 说，如果该过程完全按照这样的方式工作，则每次读取数据时都会擦除数据，但使用较低量的光只会“部分擦除信息”。因此，它会随着时间的推移而消失，就像磁带中保存的数据在 10 到 30 年内会消失一样。
虽然该团队使用了稀土元素镨和氧化钇晶体，但这项工作同样可以扩展到其他非稀土元素晶体和其他非掺杂剂。但稀土元素的优势在于提供已知和特定的波长，使我们能够使用标准激光器激发电子。
研究人员的最初目标是解决单个原子的问题。他们尚未实现这一目标，但 França 相信，该团队开创的技术使他们走上了正确的轨道。
França 说，对进一步研究的兴趣归因于这项技术的可扩展性，有可能在未来为各种应用带来低成本、高密度的存储格式。
好消息是，等式的光学激光方面已经得到了很好的理解并且很便宜。同样，这种晶体的大规模生产也不需要多少钱。这就剩下了获取稀土元素和设计一种使用大规模制造方法引入缺陷的方法的成本。
他补充说，如果能够克服这些障碍，就可以将晶体制成光盘，供廉价读者阅读。最后一个问题是关于在假设的光盘上存储数据的密度。
“在我们的晶体中，我们有大约 40 毫米3[0.002 立方英寸]，我们可以存储几百 TB，“França 。在进行了一些计算后，他得出的数字约为 260 TB。
这个数字是基于科学家们研究的晶体，但 França 认为未来可以轻松增加缺陷密度。这自然会导致 PB 级数据存储在光盘大小的单个设备上的可能性。
