Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’HZDR propone ora un nuovo concetto di archiviazione dei dati a lungo termine basato su difetti su scala atomica nel carburo di silicio, un materiale semiconduttore. Questi difetti sono creati da un fascio ionico focalizzato, che fornisce un'elevata risoluzione spaziale, un'elevata velocità di scrittura e una bassa energia per la memorizzazione di un singolo bit. La ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials .

Le ultime stime presuppongono circa 330 milioni di terabyte di nuovi dati creati ogni giorno, con il 90% dei dati mondiali generati solo negli ultimi due anni. Se i numeri suggeriscono già la necessità di tecnologie avanzate di archiviazione dei dati, questo non è affatto l'unico problema associato a questo sviluppo.

"Il tempo di archiviazione limitato degli attuali supporti di memorizzazione richiede la migrazione dei dati entro diversi anni per evitare qualsiasi perdita di dati. Oltre ad essere intrappolati in continue procedure di migrazione dei dati, ciò aumenta sostanzialmente il consumo di energia, perché nel processo viene consumata una quantità significativa di energia, " afferma il Dott. Georgy Astakhov dell'Istituto di ricerca sulla fisica e sui materiali dei fasci ionici presso HZDR.

Per mitigare questa crisi incombente, il team di Astakhov introduce ora un nuovo concetto di archiviazione dei dati a lungo termine basato su difetti su scala atomica nel carburo di silicio. Questi difetti sono causati da un fascio focalizzato di protoni o ioni di elio e letti utilizzando meccanismi di luminescenza associati ai difetti.

Dispositivi di archiviazione tradizionali limitati dalla fisica

Attualmente, la memoria magnetica è la scelta principale quando si tratta di soluzioni di archiviazione dati che mirano a grandi capacità, mentre le leggi della fisica stabiliscono i limiti alle densità di archiviazione ottenibili. Per aumentarli, la dimensione delle particelle magnetiche deve ridursi. Ma poi, le fluttuazioni termiche e i processi di diffusione nel materiale acquistano importanza, con un impatto peggiorativo sul tempo di conservazione.

La regolazione delle proprietà magnetiche del materiale potrebbe sopprimere questo effetto, ma ciò ha un prezzo:una maggiore energia per immagazzinare informazioni. Allo stesso modo, anche le prestazioni dei dispositivi ottici sono ostacolate dalle leggi della fisica. A causa del cosiddetto limite di diffrazione, il bit di registrazione più piccolo ha dimensioni limitate:non può essere inferiore alla metà della lunghezza d'onda della luce, ponendo il limite della capacità di memorizzazione massima. La via d'uscita è la registrazione ottica multidimensionale.

Il carburo di silicio presenta difetti su scala atomica, in particolare l'assenza di atomi di silicio nel sito del reticolo. I difetti sono creati da un fascio focalizzato di protoni o ioni di elio, che fornisce un'elevata risoluzione spaziale, un'elevata velocità di scrittura e una bassa energia per la memorizzazione di un singolo bit. "Il limite di diffrazione della densità di archiviazione inerente ai supporti ottici si applica anche nel nostro caso. Lo superiamo mediante schemi di codifica 4D.

"Qui, le tre dimensioni spaziali e un'ulteriore quarta dimensione di intensità vengono realizzate controllando la posizione laterale e la profondità, nonché il numero di difetti. Quindi leggiamo otticamente i dati memorizzati mediante la fotoluminescenza provocata dall'eccitazione ottica.

"Inoltre, la densità di stoccaggio dell'area può essere notevolmente migliorata utilizzando l'eccitazione focalizzata del fascio di elettroni che causa una catodoluminescenza osservabile", afferma Astakhov.

Conservazione dei dati per generazioni

Le informazioni memorizzate potrebbero essere nuovamente eliminate dai difetti, a seconda delle condizioni ambientali in cui viene conservato il mezzo, ma gli scienziati hanno buone notizie considerando il loro materiale. "La disattivazione di questi difetti dipendente dalla temperatura suggerisce un tempo di ritenzione minimo nell'arco di alcune generazioni in condizioni ambientali", afferma Astakhov.

E c'è di più. Con l'eccitazione laser nel vicino infrarosso, le moderne tecniche di codifica e la memorizzazione dei dati multistrato, ovvero l'impilamento di fino a 10 strati di carburo di silicio uno sopra l'altro, il team raggiunge una densità di memorizzazione superficiale che corrisponde a quella dei dischi Blu-ray.

Passando all'eccitazione con fascio di elettroni anziché all'eccitazione ottica per la lettura dei dati, il limite raggiungibile in questo modo corrisponde a una densità di memorizzazione dell'area di registrazione attualmente riportata di un nastro magnetico prototipo, che ha tuttavia un tempo di memorizzazione più breve e un consumo energetico maggiore .

Per questo lavoro, gli scienziati di Rossendorf hanno unito le forze con ricercatori dell'Università Julius-Maximilian di Würzburg (Germania), del Jet Propulsion Laboratory, del California Institute of Technology (Stati Uniti), del National Institutes for Quantum Science and Technology (Giappone) e dell'Università di Tohoku (Giappone). . L'approccio concettuale del team non si limita al carburo di silicio e può essere esteso ad altri materiali con difetti otticamente attivi, compresi i materiali 2D.