Эффектные перспективы
оптической памяти
сверхвысокой плотности.
Современный мир набирает объёмы цифровых данных с воистину умопомрачительной скоростью: ежедневно генерируется более 2 эксабайтов (или 2 млн терабайтов) нового контента. Столь колоссальный каждодневный прирост данных может в скором времени исчерпать возможности сегодняшних (а по сути — уже вчерашних) технологий, поэтому множество исследователей работают над созданием новых носителей информации и способов хранения.
Одной из перспективных идей считается использование света для считывания и записи данных: пресловутые CD, как самые явные устройства оптической памяти, обладают потенциалом энергоэффективности, надёжности и скорости сохранения. По сути, они обладают лишь одним изъяном — малым объёмом.
Команда учёных из Аргоннской национальной лаборатории США и Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета предложила новый тип памяти, в которой оптические данные передаются от редкоземельного элемента, встроенного в твёрдый материал, к расположенному поблизости квантовому дефекту.
«Мы разработали базовые физические принципы, посредством которых передача энергии между дефектами могла лечь в основу невероятно эффективного оптического метода хранения, — говорит Джулия Галли, старший научный сотрудник Argonne и профессор кафедры компьютерных наук семьи Лью в PME. — Это исследование иллюстрирует важность изучения первичных принципов и квантовомеханических теорий для освещения новых, появляющихся технологий».
В ходе работы была создана теоретическая модель искомого материала, содержащая излучатели, в роли которых выступили вкрапления атомов узкополосных редкоземельных элементов — люминофоров, выдающих свечение в узком диапазоне видимого спектра. Эти атомы поглощают свет и переизлучают его на определённых длинах волн; причём в довольно небольшом промежутке этих длин. Последовавшее изучение показало, как такой узкополосный свет может быть захвачен квантовым дефектом (или, образно говоря, разницей энергий) расположенным поблизости. Понимание этих и других аспектов учёные заключили в новую теоретическую модель процесса.
«Мы хотели разработать необходимую теорию, чтобы предсказать, как работает передача энергии между излучателями и дефектами, — рассказывает Сварнабха Чаттарадж, научный сотрудник Аргоннского университета. — Затем эта теория позволила нам определить правила проектирования для потенциальной разработки новых оптических запоминающих устройств».
Перенос энергии между встроенными в твёрдый материал-носитель излучателями — явление распространённое. Оно представляет интерес для фотоники, квантовых сетей, микроэлектроники и других областей. Сама передача энергии может осуществляться несколькими сложными механизмами. Авторы работы фокусируются на фотонах, направляя свет довольно узкого спектра от источника к поглотителю. Однако главным в исследовании выступает не способ передачи, а условия её реализации: расстояние источник-поглотитель, меньшее, чем длина волны переносимых фотонов (режим ближнего поля), накладывает весьма существенный отпечаток на весь процесс.
«Считается, что этот вид передачи энергии в ближнем поле подчиняется иным правилам симметрии, чем более широко известные процессы в дальнем поле», — говорит Супратик Гуха, профессор PME, старший научный сотрудник Аргоннского университета и советник Аргоннского управления физических наук и инженерии.
Предположения подтвердились: при поглощении квантовыми дефектами узкой полосы энергии от соседних атомов было обнаружено что, они не только выходят из основного своего состояния, но и меняют спиновое. Причём этот переход в спиновое состояние трудно обратить вспять, что, возможно, получится использовать для сохранения данных в течение довольно продолжительных периодов времени. Кроме того, меньшая длина волны, свойственная переизлучению узкополосных редкоземельных излучателей, вкупе с квантовым размером дефектов, могли бы позволить системе обеспечить большую плотность хранения данных, чем другие оптические подходы.
«Чтобы начать применять это для разработки оптической памяти, нам все ещё нужно ответить на дополнительные базовые вопросы о том, как долго сохраняется это возбуждённое состояние и как мы считываем данные, — уточняет Чаттарадж. — Но понимание этого процесса передачи энергии в ближнем поле — огромный первый шаг».
Анализ рабочего процесса и перспективности технологии опубликован в журнале Physical Review Research.
По материалам АРМК.