Team præsenterer ny vej til langsigtet datalagring baseret på atomare skala defekter

Med udviklingen af ​​internettet, sociale medier og cloud computing er mængden af ​​data, der skabes på verdensplan på daglig basis, himmelflugt. Dette kræver nye teknologier, der kan give højere lagertætheder kombineret med sikker langsigtet dataarkivering langt ud over traditionelle datalagerenheders muligheder.

Et internationalt forskerhold ledet af HZDR foreslår nu et nyt koncept for langsigtet datalagring baseret på atomare defekter i siliciumcarbid, et halvledende materiale. Disse defekter er skabt af en fokuseret ionstråle, der giver høj rumlig opløsning, hurtig skrivehastighed og lav energi til lagring af en enkelt bit. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Advanced Functional Materials .

De seneste estimater antager, at omkring 330 millioner terabyte nye data bliver skabt hver dag, med 90 % af verdens data genereret i de sidste to år alene. Hvis de store tal allerede tyder på behovet for avancerede datalagringsteknologier, er det på ingen måde det eneste problem, der er forbundet med denne udvikling.

"Den begrænsede lagringstid for nuværende lagermedier kræver datamigrering inden for flere år for at undgå datatab. Udover at være fanget i evindelige datamigreringsprocedurer øger dette energiforbruget væsentligt, fordi der forbruges en betydelig mængde energi i processen, " siger Dr. Georgy Astakhov fra Institute of Ion Beam Physics and Materials Research ved HZDR.

For at afbøde denne truende krise introducerer Astakhovs team nu et nyt koncept for langsigtet datalagring baseret på atomare defekter i siliciumcarbid. Disse defekter påføres af en fokuseret stråle af protoner eller heliumioner og aflæses ved hjælp af luminescensmekanismer forbundet med defekterne.

Traditionelle lagringsenheder dæmpet af fysik

I øjeblikket er magnetisk hukommelse det primære valg, når det kommer til datalagringsløsninger, der sigter mod store kapaciteter, mens fysikkens love sætter grænser for opnåelige lagertætheder. For at øge dem skal størrelsen af ​​de magnetiske partikler krympe. Men så får termiske udsving og diffusionsprocesser i materialet større betydning, med forringet indvirkning på opbevaringstiden.

Tuning magnetiske egenskaber af materialet kan undertrykke denne effekt, men dette kommer med et prisskilt:en højere energi til at lagre information. På samme måde forpurres ydeevnen af ​​optiske enheder også af fysikkens love. På grund af den såkaldte diffraktionsgrænse er den mindste optagebit begrænset i størrelse:Den kan ikke blive mindre end halvdelen af ​​lysets bølgelængde, hvilket sætter grænsen for den maksimale lagerkapacitet. Vejen ud er multidimensionel optisk optagelse.

Silikonecarbid har atomare defekter, især fraværet af siliciumatomer i gitterstedet. Defekterne er skabt af en fokuseret proton- eller heliumionstråle, der giver høj rumlig opløsning, hurtig skrivehastighed og lav energi til lagring af en enkelt bit. "Diffraktionsgrænsen for lagertæthed, der er iboende for optiske medier, gælder også i vores tilfælde. Vi overvinder den ved 4D-kodningsskemaer.

"Her realiseres de tre rumlige dimensioner og en yderligere fjerde intensitetsdimension ved at kontrollere sidepositionen og dybden samt antallet af defekter. Derefter udlæser vi optisk de lagrede data ved hjælp af fotoluminescens fremkaldt af optisk excitation.

"Yderligere kan den arealmæssige lagringstæthed forbedres væsentligt ved at bruge fokuseret elektronstråle-excitation, der forårsager observerbar katodoluminescens," siger Astakhov.

Lagring af data i generationer

Den lagrede information kan blive slået ud af defekterne igen, afhængigt af miljøforhold, som mediet opbevares i, men forskerne har gode nyheder i betragtning af deres materiale. "Den temperaturafhængige deaktivering af disse defekter antyder en retentionstid minimum over et par generationer under omgivende forhold," siger Astakhov.

Og der er mere. Med nær-infrarød laser excitation, moderne kodningsteknikker og flerlags datalagring, nemlig stabling af op til 10 siliciumcarbidlag oven på hinanden, når teamet en areallagringstæthed, der svarer til Blu-ray-diske.

Skifter til elektron-stråle excitation i stedet for optisk excitation for dataudlæsningen, svarer den grænse, der kan opnås på denne måde, til en aktuelt rapporteret registreringsareal lagringstæthed for et prototype magnetbånd, som dog har kortere lagringstid og højere energiforbrug .

Til dette arbejde gik Rossendorf-forskerne sammen med forskere fra Julius-Maximilian University Würzburg (Tyskland), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology (U.S.), National Institutes for Quantum Science and Technology (Japan) og Tohoku University (Japan) . Teamets konceptuelle tilgang er ikke begrænset til siliciumcarbid og kan udvides til andre materialer med optisk aktive defekter, herunder 2D-materialer.

Flere oplysninger: M. Hollenbach et al., Ultralong-Term High-Density Data Storage with Atomic Defects in SiC, Advanced Functional Materials (2024). DOI:10.1002/adfm.202313413

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres