Desde los telares operados con tarjetas perforadas en el siglo XIX hasta los teléfonos celulares modernos, si un objeto tiene un estado “encendido” y “apagado”, se puede utilizar para almacenar información. En una computadora portátil, los unos y ceros binarios son transistores que funcionan a bajo o alto voltaje. En un disco compacto, el uno es un punto donde un pequeño “hueco” dentado se convierte en una “terreno” plano o viceversa, mientras que un cero es cuando no hay cambio.
Históricamente, el tamaño del objeto que forma los “unos” y los “ceros” ha puesto un límite al tamaño del dispositivo de almacenamiento. Pero ahora, los investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME) han explorado una técnica para hacer unos y ceros a partir de defectos de cristal, cada uno del tamaño de un átomo individual para aplicaciones clásicas de memoria de computadora. Su investigación fue publicada ayer en Nanophotonics.
“Cada celda de memoria es un solo átomo faltante, un solo defecto”, dijo el asistente de PME de UChicago, el profesor Tian Zhong. “Ahora se pueden almacenar terabytes de bits en un pequeño cubo de material de apenas un milímetro de tamaño”.
La innovación es un verdadero ejemplo de la investigación interdisciplinaria de la PME de la UChicago, que utiliza técnicas cuánticas para revolucionar las computadoras clásicas no cuánticas y convertir la investigación sobre los dosímetros de radiación (conocidos comúnmente como los dispositivos que almacenan la cantidad de radiación que los trabajadores del hospital absorben de las máquinas de rayos X) en un innovador almacenamiento de memoria microelectrónica.
“Encontramos una manera de integrar la física del estado sólido aplicada a la dosimetría de la radiación con un grupo de investigación que trabaja fuertemente en la cuántica, aunque nuestro trabajo no es exactamente cuántico”, dijo el primer autor Leonardo França, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhong. “Hay una demanda de personas que estén realizando investigaciones sobre sistemas cuánticos, pero al mismo tiempo, existe una demanda de mejorar la capacidad de almacenamiento de las memorias clásicas no volátiles. Y es en esta interfaz entre el almacenamiento de datos cuántico y óptico donde se basa nuestro trabajo”.
De la dosimetría de la radiación al almacenamiento óptico
La investigación comenzó durante la investigación de doctorado de França en la Universidad de São Paulo en Brasil. Estaba estudiando dosímetros de radiación, los dispositivos que monitorean pasivamente cuánta radiación reciben los trabajadores en hospitales, sincrotrones y otras instalaciones de radiación en el trabajo.
“En los hospitales y en los aceleradores de partículas, por ejemplo, es necesario monitorear a qué dosis de radiación están expuestas las personas”, dijo França. “Hay algunos materiales que tienen esta capacidad de absorber radiación y almacenar esa información durante un cierto tiempo”.
Pronto se fascinó con la forma en que a través de técnicas ópticas (iluminando con una luz) podía manipular y “leer” esa información.
“Cuando el cristal absorbe suficiente energía, libera electrones y huecos. Y estas cargas son capturadas por los defectos”, dijo França. “Podemos leer esa información. Puedes liberar los electrones y podemos leer la información por medios ópticos”.
França pronto vio el potencial del almacenamiento de memoria. El científico llevó este trabajo no cuántico al laboratorio cuántico de Zhong para crear una innovación interdisciplinaria utilizando técnicas cuánticas para construir memorias clásicas.
“Estamos creando un nuevo tipo de dispositivo microelectrónico, una tecnología inspirada en la cuántica”, dijo Zhong.
Tierras raras
Para crear la nueva técnica de almacenamiento de memoria, el equipo agregó iones de “tierras raras”, un grupo de elementos también conocidos como lantánidos, a un cristal. En concreto, utilizaron un elemento de tierras raras llamado praseodimio y un cristal de óxido de itrio, pero el proceso que informaron podría utilizarse con una variedad de materiales, aprovechando las propiedades ópticas potentes y flexibles de las tierras raras.
“Es bien sabido que las tierras raras presentan transiciones electrónicas específicas que permiten elegir longitudes de onda de excitación láser específicas para el control óptico, desde UV hasta regímenes de infrarrojo cercano”, dijo França.
A diferencia de los dosímetros, que normalmente se activan con rayos X o rayos gamma, aquí el dispositivo de almacenamiento se activa con un simple láser ultravioleta. El láser estimula los lantánidos, que a su vez liberan electrones. Los electrones quedan atrapados en algunos de los defectos del cristal de óxido, por ejemplo, los huecos individuales en la estructura donde debería estar un solo átomo de oxígeno, pero no está.
“Es imposible encontrar cristales, en la naturaleza o en cristales artificiales, que no tengan defectos”, dijo França. “Por eso, lo que estamos haciendo es aprovechar estos defectos”.
Si bien estos defectos de los cristales se utilizan a menudo en la investigación cuántica, entrelazados para crear “qubits” en gemas que van desde diamantes estirados hasta espinelas, el equipo de PME de UChicago encontró otro uso. Pudieron determinar cuándo los defectos estaban cargados y cuáles no. Al designar un hueco cargado como “uno” y un hueco sin carga como “cero”, pudieron convertir el cristal en un poderoso dispositivo de almacenamiento de memoria a una escala nunca vista en la computación clásica.
“Dentro de ese cubo de un milímetro, demostramos que hay al menos mil millones de estas memorias (memorias clásicas, memorias tradicionales) basadas en átomos”, dijo Zhong.
Fuente: Phys.org.
