Geräte, die sich ein- und ausschalten lassen (wie ein Schalter), ermöglichen die Speicherung von Daten. Ein Team der Universität von Chicago arbeitet an einer innovativen Methode, um dies zu erreichen, indem es Kristalle verwendet.
In einem Computer werden Daten (1 oder 0) über Transistoren gespeichert, die zwischen zwei elektrischen Zuständen wechseln. Auf einer CD entsprechen diese 1 und 0 Vertiefungen und glatten Oberflächen. Wissenschaftler haben herausgefunden, wie winzige, atomgroße Unregelmäßigkeiten in Kristallen genutzt werden können, um diese 1 und 0 darzustellen. Ihre Idee könnte es ermöglichen, das Äquivalent einer heutigen Festplatte in einem Materialwürfel von der Größe eines Sandkorns (1 mm Kantenlänge) zu speichern.
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Nanophotonics, kombiniert ihre Forschung Elemente der Quantenphysik mit klassischen Techniken. Durch die Kontrolle von Defekten in Kristallen definieren sie eine elektrisch geladene Zone als "1" und eine neutrale Zone als "0". Das Team verwendet Seltene Erden wie Praseodym, die in einen Kristall integriert sind. Diese Materialien reagieren präzise auf Licht. Ein ultravioletter Laser aktiviert das System, wodurch Elektronen freigesetzt werden, die in den Defekten des Kristalls gefangen bleiben.
Normalerweise für die Quanteninformatik untersucht, werden diese Defekte hier für die klassische Speicherung umfunktioniert. Durch die Steuerung ihrer elektrischen Ladung schaffen die Forscher einen ultra-miniaturisierten Speicher. "In einem winzigen Würfel befinden sich mindestens eine Milliarde 'Bits' Speicher auf Atom-Basis", erklärt Tian Zhong, Leiter des Projekts. Dieser Ansatz verbindet Materialphysik und Quantentechnologien, um die Datenspeicherung neu zu denken.
Ein Kristall leuchtet unter einer UV-Lampe. Diese Reaktion, die im Zhong-Labor untersucht wird, nutzt Eigenschaften von "Seltenen Erden".
Quelle: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Zhong Lab Wie werden Daten in einem Kristall gespeichert?
Der Trick liegt in der Kontrolle von elektrischen Ladungen, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Wenn der Kristall mit einem UV-Laser beleuchtet wird, werden Elektronen freigesetzt und bleiben in Unregelmäßigkeiten (wie fehlenden Atomen) stecken. Diese Fallen werden zu "1", wenn sie eine Ladung enthalten, und zu "0", wenn sie leer sind. Die "Seltenen Erden" machen diese Kontrolle möglich. Durch die Anpassung der Laserfarbe können Daten geschrieben oder gelöscht werden.
Im Gegensatz zu Festplatten oder USB-Sticks ermöglicht diese Methode eine viel höhere Speicherdichte: Jedes Bit nimmt den Platz eines Atoms ein. Auch wenn das Prinzip auf quantenmechanischen Konzepten basiert, wird es hier auf klassische Speicher angewendet. Dies ist ein Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung alltägliche Technologien verbessern kann.
Warum Seltene Erden verwenden?
Seltene Erden wie Praseodym haben eine einzigartige Wechselwirkung mit Licht. Sie können spezifische Farben (von UV bis Infrarot) absorbieren oder emittieren, was ihre Steuerung mit Lasern ermöglicht.
Im Kristall setzen diese Elemente Elektronen frei, wenn sie beleuchtet werden. Diese Elektronen füllen dann die atomaren Defekte und erzeugen die 1 und 0. Die Stabilität der Seltenen Erden sorgt dafür, dass die Daten lange Zeit intakt bleiben, auch ohne Strom.
Ihre Vielseitigkeit eröffnet die Möglichkeit für kompakte und leistungsstarke Geräte. In Kombination mit Fortschritten in der Nanotechnologie könnten sie unsere Art der Datenspeicherung revolutionieren.