Kristalle als Hochleistungsspeicher Atomare Defekte als Speicherzellen

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Forscher nutzen atomare Defekte in Kristallen, um große Datenmengen auf kleinsten Raum zu speichern. Damit möglich sind Terabytes an Daten in einem nur millimetergroßen Materialwürfel.

Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) haben eine Speichertechnik entwickelt, die atomare Defekte in Kristallen zur Datenspeicherung nutzt. Diese Methode basiert auf Erkenntnissen aus der Strahlungsdosimetrie und kombiniert optische sowie quanteninspirierte Verfahren zur Entwicklung hochdichter, nichtflüchtiger Speicher.

Das Verfahren nutzt Fehlstellen im Kristallgitter, bei denen einzelne Atome fehlen. Verwendet werden Ionen von seltenen Erden – insbesondere Praseodym – eingebettet in einen Yttriumoxid-Kristall. Diese Elemente haben einzigartige optische Eigenschaften und können durch UV-Laser angeregt werden. Durch das Einstrahlen von Licht setzen die Kristalle Elektronen frei, die von den Defekten in der Kristallstruktur eingefangen werden. Je nachdem, ob sich Elektronen in den Defekten befinden oder nicht, entsteht eine binäre Information. Diese lässt sich als Speicherzelle interpretieren – geladene Defekte repräsentieren eine 1, ungeladene eine 0. Auf diese Weise lassen sich Terabyte-große Datenmengen in einem nur millimetergroßen Kristall speichern.

Ein klassisches Speicherkonzept

Die Technologie ermöglicht eine optische Schreib- und Leseoperation, indem Licht in spezifischen Wellenlängen zur Steuerung der Elektronenbewegung genutzt wird. Seltene Erden bieten hierfür präzise elektronische Übergänge, die eine Kontrolle über ein breites optisches Spektrum von UV bis nahes Infrarot erlauben. „Es ist bekannt, dass seltene Erden spezifische elektronische Übergänge aufweisen, die es ermöglichen, bestimmte Laseranregungswellenlängen für die optische Steuerung auszuwählen, von UV bis hin zu nahe-infraroten Bereichen“, erklärte Leonardo França, Erstautor der Studie.

Die Forschung baut auf früheren Arbeiten zur Strahlungsdosimetrie auf, bei der Materialien zur Messung von Röntgen- und Gammastrahlenbelastung eingesetzt werden. Während diese Dosimeter Informationen über die aufgenommene Strahlung speichern, erkannten die Wissenschaftler, dass sich ähnliche Mechanismen für nichtflüchtige Datenspeicherung nutzen lassen.

Im Gegensatz zu quantenmechanischen Anwendungen, bei denen Defekte für Qubits genutzt werden, wird hier ein klassisches Speicherkonzept verfolgt. Die Methode kombiniert hohe Speicherdichte mit Stabilität und könnte als alternative Technologie für zukünftige nichtflüchtige Speicherlösungen in Mikroelektronik und optischen Speichern dienen. Die Forscher arbeiten nun daran, die Technologie weiter zu optimieren und industrielle Anwendungsmöglichkeiten zu evaluieren.

Trotz des großen Potenzials gibt es noch Arbeit für die Forscher. Dazu gehören die Skalierung der Technologie für die Massenproduktion und die Integration in bestehende Systeme. Dennoch könnten Kristalle als Speicher, zusammen mit anderen Entwicklungen wie DNA-Speicherung und Blockchain, die Zukunft der Datenspeicherung maßgeblich prägen und zu einer neuen Ära der Informationsverarbeitung und -sicherung führen. (heh)

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

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