Da unsere digitale Welt riesige Datenmengen generiert – jeden Tag mehr als zwei Trillionen Bytes an neuen Inhalten – stoßen die Speichertechnologien von gestern schnell an ihre Grenzen. Optische Speichergeräte, die Licht zum Lesen und Schreiben von Daten nutzen, bieten das Potenzial einer dauerhaften, schnellen und energieeffizienten Speicherung.
Jetzt haben Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago einen neuen Speichertyp vorgeschlagen, bei dem optische Daten von einem darin eingebetteten Seltenerdelement übertragen werden festes Material zu einem nahegelegenen Quantendefekt. Ihre Analyse, wie eine solche Technologie funktionieren könnte, ist veröffentlicht In Forschung zur körperlichen Überprüfung.
„Wir haben die grundlegende Physik herausgefunden, die dahinter steckt, wie die Energieübertragung zwischen Defekten einer unglaublich effizienten optischen Speichermethode zugrunde liegen könnte“, sagte Giulia Galli, leitende Wissenschaftlerin der Argonne und Liew Family-Professorin am PME. „Diese Forschung verdeutlicht, wie wichtig es ist, erste Prinzipien und quantenmechanische Theorien zu erforschen, um neue, aufkommende Technologien zu beleuchten.“
Die meisten in der Vergangenheit entwickelten optischen Speichermethoden, einschließlich CDs und DVDs, sind durch die Beugungsgrenze des Lichts begrenzt. Ein einzelner Datenpunkt kann nicht kleiner sein als die Wellenlänge des Lasers, der die Daten schreibt und liest. In der neuen Arbeit schlugen die Forscher vor, die Bitdichte der optischen Speicherung durch die Einbettung vieler Seltenerd-Emitter in das Material zu erhöhen. Durch die Verwendung leicht unterschiedlicher Lichtwellenlängen – ein Ansatz, der als Wellenlängenmultiplexing bekannt ist – stellten sie die Hypothese auf, dass diese Emitter mehr Daten im gleichen Bereich speichern könnten.
Um die Machbarkeit des Ansatzes zu zeigen, untersuchten Galli und ihre Kollegen zunächst die physikalischen Anforderungen, die für eine effiziente und dichte optische Speicherung erforderlich sind. Sie erstellten Modelle eines theoretischen Materials, das mit Atomen schmalbandiger Seltenerdemitter durchsetzt ist. Diese Atome absorbieren Licht und emittieren dieses Licht bei bestimmten, schmalen Wellenlängen wieder. Die Forscher zeigten, wie dieses Licht mit schmaler Wellenlänge dann von einem nahegelegenen Quantendefekt eingefangen werden könnte.
Die Vorhersagen der Studie wurden durch die Kombination von First-Principles-Theorien der elektronischen Struktur zur Abbildung der Absorptionszustände der Defekte mit quantenmechanischen Theorien zur Modellierung der Lichtausbreitung im Nanometerbereich erzielt. Durch die Entwicklung solcher neuartigen theoretischen Modelle konnte das Team die Regeln besser verstehen, die bestimmen, wie die Energie zwischen den Emittern und den Defekten bewegt wird und wie die Defekte die eingefangene Energie speichern.
„Wir wollten die notwendige Theorie entwickeln, um vorherzusagen, wie der Energietransfer zwischen Emittern und Defekten funktioniert“, sagte Swarnabha Chattaraj, Postdoktorandin bei Argonne. „Diese Theorie ermöglichte es uns dann, die Designregeln für die potenzielle Entwicklung neuer optischer Speicher herauszufinden.“
Während Wissenschaftler ein gutes Verständnis dafür haben, wie Quantendefekte in einem festen Material typischerweise mit Licht interagieren, hatten sie bisher noch nicht untersucht, wie sich ihr Verhalten ändert, wenn das Licht von einer unglaublich nahen Quelle kommt, wie etwa den schmalbandigen Seltenerd-Emittern, die gerade eingebettet sind wenige Nanometer entfernt.
„Es wird angenommen, dass diese Art der Nahfeld-Energieübertragung anderen Symmetrieregeln folgt als allgemein bekannte Fernfeldprozesse“, sagte Supratik Guha, leitender Berater der Direktion für Physikalische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften in Argonne und PME-Professor.
Tatsächlich entdeckte die Gruppe, dass die Quantendefekte, wenn sie das schmale Energieband der nahegelegenen Atome absorbierten, nicht nur aus ihrem Grundzustand angeregt wurden, sondern auch ihren Spinzustand umdrehten. Dieser Spinzustandsübergang ist schwer rückgängig zu machen, was darauf hindeutet, dass diese Defekte Daten über lange Zeiträume speichern könnten. Darüber hinaus könnte das System aufgrund der kleineren Wellenlängen des von den schmalbandigen Seltenerdemittern emittierten Lichts sowie der geringen Größe der Defekte eine dichtere Datenspeichermethode als andere optische Ansätze bieten.
„Um dies auf die Entwicklung optischer Speicher anzuwenden, müssen wir noch weitere grundlegende Fragen beantworten, wie lange dieser angeregte Zustand anhält und wie wir die Daten auslesen“, sagte Chattaraj. „Aber das Verständnis dieses Nahfeld-Energieübertragungsprozesses ist ein großer erster Schritt.“
Weitere Informationen:
Swarnabha Chattaraj et al., First-principles-Untersuchung des Nahfeld-Energietransfers zwischen lokalisierten Quantenemittern in Festkörpern, Forschung zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033170