I ricercatori hanno dimostrato una nuova tecnica in grado di memorizzare più dati ottici in uno spazio più piccolo di quanto fosse precedentemente possibile su chip. Questa tecnica migliora la cella di memoria ottica a cambiamento di fase, che usa la luce per scrivere e leggere dati, e potrebbe offrire un più veloce, forma di memoria più efficiente dal punto di vista energetico per i computer.

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ricercatori delle Università di Oxford, Exeter e Münster descrivono la loro nuova tecnica per l'archiviazione dei dati completamente ottica, che potrebbe aiutare a soddisfare la crescente necessità di una maggiore memorizzazione dei dati del computer.

Invece di utilizzare segnali elettrici per memorizzare i dati in uno dei due stati, uno zero o uno, come i computer di oggi, la cella di memoria ottica utilizza la luce per memorizzare le informazioni. I ricercatori hanno dimostrato la memoria ottica con più di 32 stati, o livelli, l'equivalente di 5 bit. Questo è un passo importante verso un computer completamente ottico, un obiettivo a lungo termine di molti gruppi di ricerca in questo campo.

"Le fibre ottiche portano i dati codificati dalla luce nelle nostre case e nei nostri uffici, ma quell'informazione viene trasformata in segnali elettronici una volta dentro i computer, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Harish Bhaskaran di Oxford. "Portando la velocità della trasmissione dei dati basata sulla luce ai circuiti stampati che gestiscono i computer, la nostra memoria completamente ottica potrebbe consentire un chip di computer ibrido che interagisce con i dati sia otticamente che elettricamente".

Il nuovo lavoro fa parte di un grande progetto chiamato Fun-COMP, per la tecnologia informatica in scala funzionale, che riunisce partner accademici e industriali per sviluppare tecnologie hardware rivoluzionarie.

Scrivere dati con la luce

La cella di memoria ottica utilizza la luce per codificare le informazioni in un materiale a cambiamento di fase, una classe di materiali utilizzati per realizzare CD e DVD riscrivibili. Un laser riscalda porzioni di un materiale a cambiamento di fase, che lo fa passare da uno stato all'altro in cui tutti gli atomi sono ordinati o disordinati. Poiché questi due stati mostrano diversi indici ottici di rifrazione, i dati possono essere letti utilizzando la luce.

I materiali a cambiamento di fase possono memorizzare i dati per lungo tempo perché rimangono nello stato disordinato o ordinato fino a quando non vengono nuovamente illuminati con il tipo specifico di luce laser originariamente utilizzato per scrivere i dati. Mescolare diversi rapporti di stati ordinati e disordinati in un'area del materiale consente di memorizzare le informazioni in un continuum di livelli anziché solo uno zero e uno come nella memoria elettronica tradizionale.

"Sebbene il nostro team abbia già utilizzato questo approccio alla memoria ottica, ora siamo stati in grado di spingere i limiti di risoluzione di questa cella di memoria memorizzando un numero maggiore di stati intermedi tra zero e uno, " disse Nathan Youngblood, un membro del gruppo di ricerca. "Questo ci ha permesso di memorizzare le informazioni in 34 livelli, mentre solo 10 potevano essere raggiunti in precedenza."

I ricercatori hanno ottenuto la maggiore risoluzione utilizzando una nuova tecnica da loro sviluppata che utilizza la luce laser con un singolo, impulso a doppio gradino - due impulsi messi insieme in un impulso di forma rettangolare - per controllare con precisione la fusione e la cristallizzazione del materiale.

"Invece di riscaldare il materiale con un singolo impulso laser, modelliamo l'impulso in modo che ci permetta di controllare la temperatura del materiale nel tempo, " disse Xuan Li, il primo autore dell'articolo. "Ciò fornisce la possibilità di regolare il modo in cui quel materiale interagisce con la luce e lo stato che raggiungerà dopo il riscaldamento. Inoltre accelera notevolmente il processo di scrittura perché possiamo cambiare lo stato del materiale con un solo impulso laser invece delle centinaia o migliaia di impulsi richiesto in precedenza."

Memoria multilivello

Nella carta, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare il loro approccio per codificare in modo affidabile i dati su 34 livelli, che è più dei 32 livelli necessari per ottenere la programmazione a 5 bit. "Questo risultato ha richiesto la comprensione perfetta dell'interazione tra la luce e il materiale e quindi l'invio del giusto tipo di impulso laser necessario per raggiungere ogni livello, " ha detto Bhaskaran. "Abbiamo risolto un problema straordinariamente difficile."

La nuova tecnica potrebbe aiutare a superare uno dei colli di bottiglia che limitano la velocità dei computer di oggi:il collegamento tra il processore e la memoria. "Molto lavoro è stato fatto per migliorare la comunicazione tra queste due unità utilizzando la fibra ottica, " disse Bhaskaran. "Tuttavia, il collegamento ottico di queste due unità richiede ancora costose conversioni elettro-ottiche ad entrambe le estremità. La nostra cella di memoria potrebbe essere utilizzata in una configurazione ibrida ottico-elettrica per eliminare la necessità di tale conversione dal lato della memoria, consentendo l'archiviazione e il recupero dei dati otticamente".

Successivamente i ricercatori vogliono integrare più celle di memoria e programmarle individualmente, che sarebbe necessario per realizzare un chip di memoria funzionante per un computer. I gruppi di ricerca hanno lavorato a stretto contatto con l'Oxford University Innovation, il braccio Innovazione dell'Ateneo, sviluppare opportunità commerciali derivanti dalla loro ricerca sulle celle di memoria fotonica. I ricercatori affermano che possono già replicare molto bene i dispositivi, ma dovranno sviluppare tecniche di elaborazione del segnale luminoso per integrare più celle di memoria ottica.