Сверхкомпактный CD на квантово-классической физике.

Взаимодействие редкоземельных элементы (красные точки) и дефектов (синие точки) в твёрдых телах позволяет осуществлять хранение оптически закодированных классических данных. Источник.

Современный мир набирает объёмы цифровых данных с воистину умопомрачительной скоростью: ежедневно генерируется более 2 эксабайтов (или 2 млн терабайтов) нового контента. Приставка экса означает примерно то же, что квинтиллион — 10¹⁸. Это много: для сравнения, диаметр Млечного Пути составляет примерно квинтиллион километров, так что, если бы байт был топливом для 1 км полёта, за сутки мы могли бы метнуться на другой край галактики и вернуться обратно. Эх, мечты…

Однако байт — не топливо, да и речь у нас сегодня не о том, как «космические корабли бороздят просторы вселенной». Столь колоссальный каждодневный прирост данных может в любой момент исчерпать возможности вчерашних технологий, поэтому множество исследователей работают над созданием новых носителей информации и способов хранения. Например, 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.

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: от прямого туннелирования до фононов и фотонов. Авторы работы фокусируются на последних, 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.  

«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».

Большинство распространённых в совсем ещё недавнем прошлом методов хранения оптической памяти (вроде тех же CD и DVD-дисков) ограничены пределом дифракции света, что проявляется как минимальная площадь пятна рассеивания (иначе говоря —точки фокуса). Дифракция как явление, представляя собой способность световой волны огибать встречаемое на пути препятствие, возможна только тогда, когда размер этого препятствия больше длины волны. Поэтому в данном случае предел дифракции также означает, что одна точка данных, будучи целевым фокусом записывающего и считывающего эти данные лазерного луча, никак не может быть меньше длины волны этого луча. Вследствие того, что одна точка данных на компакт-диске несёт один бит, ограниченные таким образом дисковые оптические носители информации в конце концов уступили место полупроводниковым.

В новой же работе исследователи предложили метод увеличения битовой плотности оптического хранилища, для чего, как оказалось, понадобятся редкоземельные элементы. Их гипотеза заключалась в том, что встраивание в материал носителя множества излучателей вкупе с чтением и записью данных посредством волнового мультиплексирования (использования световых волн разных длин) позволят хранить больше информации в пределах одной области.

Слева: схематическое представление оптических запоминающих устройств сверхвысокой плотности, где каждая ячейка памяти в твёрдом носителе (левая панель) содержит ансамбль переизлучателей (красный) и точечных дефектов (синий). Справа: комплекс переизлучатель-дефект, представляющий рабочую “единицу” памяти. Оптические возбуждения переизлучателей, которые разделены спектрально, могут передаваться на подходящий дефект в непосредственной близости от излучателя, чтобы улавливать возбуждение и увеличивать срок его службы. Источник.

Однако опытная демонстрация состоятельности этого подхода требовала большой подготовительной работы. Дело в том, что для реализации эффективного и плотного оптического хранения необходимы особые физические требования как к материалам, так и к архитектуре системы. 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, расположенным поблизости.

Для понимания: квантовый дефект — это, образно говоря, разница энергий. Если речь о материалах, то отличие наблюдается между электронами, обладающими одним и тем же квантовым числом. В таком случае на одной чаше весов у нас один электрон произвольного атома с несколькими электронами, а на другой — электрон атома с одним электроном (такие атомы называют водородоподобными). Что же до лазеров и фотоники вообще, то разница кроется в потере энергии в виде тепла при её передаче от так называемого фотона накачки (фотона лазерного пучка) к сигнальному фотону выходного излучения.

Прогнозы исследования были получены путём объединения нескольких теорий. Для наглядности и понимания состояния поглощения дефектов были использованы так называемые первые принципы теории электронной структуры, а при моделировании распространения света в нанометровом масштабе помогли квантово-механические теории. Проработка этого симбиоза вылилась в умозрительные выводы, позволившие команде лучше понять правила и закономерности перемещения энергии между излучателями и дефектами. Кроме того, также прояснились обстоятельства накопления дефектами захваченной энергии. 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».

Хотя наука уже довольно хорошо представляет себе нюансы взаимодействия света с квантовыми дефектами в твёрдом материале, изучение изменений в поведении дефектов в случае чрезвычайно близкого источника света ранее не проводилось. Поэтому расположение узкополосных редкоземельных излучателей, встроенных всего в нескольких нанометрах от квантовых дефектов, — уже само по себе является весомой темой для исследования. 

«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».

Постижение нюансов и закономерностей резонансной передачи энергии в границах наноразмерных условий имеет решающее значение для получения представления о целевых характеристиках конструкций будущих твердотельных квантовых запоминающих устройств и повторителей, легированных редкоземельными элементами. Также, потенциально, результаты исследования могут возродить технологии классических оптических запоминающих устройств, снабдив их новыми возможностями касаемо объёмов хранимой информации, основанными на новом конструктиве, обеспечивающем сверхвысокую плотность данных.

Анализ рабочего процесса и перспективности технологии опубликован в журнале Physical Review Research.

АРМК, по материалам Argonne National Laboratory.