Analogia per confrontare le proprietà di diversi materiali per l'archiviazione dei dati. Il livello energetico degli elettroni può essere rappresentato come piani di un hotel occupati da elettroni. Nel caso del “Silicon Hotel”, mostrato sullo schermo del computer, ci sono diverse stanze disponibili in ogni piano, il che significa che gli elettroni ricchi di dati ai piani superiori possono facilmente scambiare la loro energia e i dati con gli elettroni ai piani inferiori. Più di queste interazioni ha il materiale, minore è la durata dell'archiviazione dei dati. Anziché, l'“Hotel Ideale” non dispone di camere disponibili al piano superiore, gli elettroni non possono interagire tra loro, né scambiare stanze. Infine, ci sarebbero degli scambi, ma ci vorrebbe molto tempo. Un materiale con questo tipo di livelli di energia conserverebbe le informazioni per molto più tempo rispetto agli attuali dispositivi a base di silicio. Credito:Istituto per le scienze di base
Niente è per sempre, ma è possibile rallentare l'inevitabile decadimento? Un'indagine sul ritardo del deterioramento dei dispositivi di memoria quantistica e sulla formazione di buchi neri spiegata con analogie intuitive della vita quotidiana
Inevitabilmente, grandi stelle alla fine della loro vita collassano sotto la gigantesca forza di gravità, trasformandosi in buchi neri. Potremmo astutamente chiedere se c'è un modo per ritardare questo processo; rimandare la morte della stella. Mentre indagava sulla "terapia anti-invecchiamento" delle grandi star, ricercatori del Centro di Fisica Teorica dell'Universo, all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) ha concettualizzato un materiale ideale in grado di memorizzare i dati per un tempo eccezionalmente più lungo rispetto agli attuali dispositivi di breve durata, portando nuovi suggerimenti per le future tecnologie di memoria quantistica.
Gli archeologi hanno potuto scoprire, e spesso decifrare, messaggi lasciati da antiche civiltà in tavoletta d'argilla, pietra o carta. Questi esemplari sono arrivati nel 21° secolo, ma i nostri messaggi digitali sopravviveranno in condizioni perfette per migliaia di anni? La produzione di nuove informazioni digitali è più grande che mai, ma i dispositivi basati su silicio hanno una data di scadenza:è di circa 3-5 anni per i dischi rigidi e 5-10 anni per i dispositivi di archiviazione flash, CD e DVD. Purtroppo, tutti i nostri inestimabili ricordi conservati come foto digitali, video e documenti digitalizzati non saranno disponibili per i nostri discendenti, a meno che, naturalmente, non li copiamo accuratamente su nuovi dispositivi di tanto in tanto. Superare questa limitazione è una delle maggiori sfide affrontate dagli scienziati oggi. "Moriremo tutti, ma vogliamo rallentare il processo di invecchiamento, in modo che possiamo vivere più a lungo, molto più a lungo di adesso. Lo stesso vale per i nostri dati digitali, vogliamo prolungare la loro esistenza, "dice Soo-Jong Rey, direttore del campo, Gravità, e Strings Group presso il Centro di Fisica Teorica dell'Universo.
Diventare quantistici è il modo migliore per sfruttare le molteplici sfaccettature del mondo su scala nanometrica. Ci consente di sfruttare la proprietà quantistica dell'"entanglement quantistico" per cui strutture coerenti possono essere formate su queste piccole scale. Il principio quantistico fondamentale è stato sollevato da Rolf Landauer nel 1961. Ha scoperto che il calore e l'informazione sono intimamente connessi. L'elaborazione dei dati genera calore e, per questa ragione, le informazioni si deteriorano e non possono essere conservate per sempre. Ora con la miniaturizzazione digitale, stiamo portando la tecnologia ai suoi limiti quantistici. Le informazioni sono archiviate in dispositivi su scala quantistica sempre più piccoli, contro la sua naturale tendenza ad espandersi, e quindi generando ancora più calore.
Inutile dire, declino e decadenza fanno parte della vita, poiché tutto si riduce al trasferimento di energia. È lo stesso fenomeno che fa sì che un caffè caldo raggiunga la temperatura ambiente quando viene a contatto con una tazza fresca e l'aria. L'energia viene trasferita dal caffè alla tazza e infine all'aria. L'energia tende a dissiparsi, a meno che non sia schermato e confinato. Questo processo di scambio che riduce la temperatura del caffè è in definitiva collegato a un processo di informazione quantistica che i fisici chiamano "scrambling" alla scala quantistica definitiva. Come suggerisce la parola, lo scrambling implica la miscelazione di energia e informazioni in cui gli originali non possono essere recuperati, allo stesso modo in cui il tuorlo e l'albume non sono riconoscibili in un uovo strapazzato.
Per mantenere il caffè caldo più a lungo, sarebbe necessario schermarlo da qualsiasi altro materiale o sostanza più fredda. Nel caso di dispositivi di memoria, per mantenere il dispositivo funzionante più a lungo, gli elettroni o gli atomi che portano energia o informazioni di unità quantistiche non dovrebbero interagire con altri elettroni e atomi e devono essere isolati il più possibile. Il confinamento è creato da altri atomi che formano una barriera. Tanto tempo fa, Phil Anderson ha dimostrato che questa barriera costruita dall'atomo funziona perfettamente se il nostro mondo fosse unidimensionale, come una linea. Immagina di avere atomi in linea e di mettere un ostacolo nel mezzo per tenerli distanti. Però, se si muovono in un terreno pianeggiante bidimensionale o in un materiale tridimensionale, questo problema è notoriamente complicato. Sebbene l'industria dei semiconduttori sia specializzata nel controllo di queste barriere, gli atomi possono sempre trovare percorsi per muoversi o saltare e raggiungere i loro vicini.
Per complicare ulteriormente la questione, è stato scoperto che gli elettroni si muovono insieme come ammassi, chiamati sistemi fortemente correlati o sistemi a molti corpi. Quindi, mentre gli scienziati vogliono isolare singoli atomi ed elettroni e impedire loro di interagire tra loro, tenere le redini di un gruppo di loro è ancora più impegnativo.
Per trovare un sistema idealizzato, localizzato e correlato allo stesso tempo, il team di ricerca dell'IBS si è basato su un concetto esotico chiamato supersimmetria. "Nella supersimmetria, ogni particella ha un partner. Per esempio, ogni elettrone si accoppia con un selettone della stessa energia e massa. A causa di questi accoppiamenti, il sistema può essere risolto con carta e penna, senza la necessità di una simulazione al computer, non importa quante particelle hai, "dice Rey.
Utilizzando i principi matematici della supersimmetria, gli scienziati hanno concettualizzato un materiale ideale con la giusta organizzazione strutturale in grado di memorizzare dati quantistici per un tempo eccezionalmente lungo, "esponenzialmente più lungo degli attuali dispositivi di memoria."
Il materiale che immaginano ha una speciale architettura dei livelli di energia per i suoi elettroni. I livelli energetici possono essere immaginati come i pavimenti di un hotel. Però, la forma dell'hotel appare diversa a seconda del tipo di atomo. Più energia ha l'elettrone, il piano superiore che occupa. Quindi gli elettroni coinvolti nella memorizzazione dei dati occuperebbero i piani superiori. Usando questa analogia, l'hotel per il silicio ha una forma simile a una piramide rovesciata con camere disponibili in ogni piano. Gli elettroni con dati al piano superiore possono facilmente scambiare la loro energia o dati con gli elettroni ai piani inferiori. In questo modo, scambiano stanze con altri elettroni trasferendo energia o dati. Scambio stanza dopo cambio stanza, si verificherà il rimescolamento.
L'hotel proposto dal team di ricerca di Rey, Invece, si assottiglia rapidamente man mano che sale più in alto. In questo albergo, la maggior parte degli elettroni si trova al primo piano perché sono disponibili pochissime stanze ai piani superiori. Poiché non ci sono stanze disponibili al piano superiore, gli elettroni non possono interagire tra loro, e non possono scambiare le stanze. In questo modo, i dati degli elettroni dei piani superiori non vengono persi con il passare del tempo. Infine, il processo di rimescolamento avverrà, ma ci vorrebbe un tempo esponenziale.
"La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia non può diminuire, ma non menziona quanto tempo impiega uno stato ordinato a diventare caotico. Quindi il nome del gioco è longevità; prolungarlo il più possibile, " chiarisce Rey. "Alla fine, Certo, l'hotel crollerà, l'entropia è il vincitore finale, è inevitabile, ma vogliamo fare in modo che tale vittoria arrivi solo dopo molto tempo".
Sebbene non esista ancora un materiale con tali livelli di energia, questa nuova comprensione può guidare gli scienziati dei materiali e gli ingegneri dei dispositivi di memoria su come sviluppare dispositivi di archiviazione di memoria superiori che si adattino a questo concetto e che potrebbero sostituire il silicio.
Tornando alla terapia antietà delle "grandi star", allo stesso modo in cui è teoricamente possibile progettare un materiale per una conservazione digitale più lunga, gli scienziati si chiedono se sia possibile indicare un criterio preciso per ritardare il decadimento delle grandi stelle. In altre parole, potrebbero ritardare la formazione dei buchi neri? Lo dirà la ricerca futura.
Lo studio è stato pubblicato su Journal of High Energy Physics .
