原子級記憶革命：毫米晶體儲存TB級資料

科學家們發現了一種革命性的資料儲存方式，利用晶體中的單一原子缺陷作為記憶單元，將TB級資料壓縮排僅毫米大小的立方體中。這項技術結合稀土元素與光學活化，創造出與傳統電腦完全不同的儲存系統。

從19世紀的打孔卡織布機到現代的智慧型手機，資料儲存始終遵循一個簡單原則：能夠在開關狀態間切換的物體就能儲存資訊。在現代電腦中，二進位碼以不同物理形式存在。筆記型電腦中的電晶體以高低電壓表示1和0，而光碟上則以凹坑與平面間的轉換來區分。

傳統上，這些二進位元件的物理尺寸限制了裝置的儲存容量。如今，芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究團隊開發出一種利用晶體缺陷編碼1和0的方法，這些缺陷是原子層面的不完美。這項突破可能大幅提升傳統電腦記憶體的儲存容量。

該研究成果於2月14日發表在《奈米光子學》期刊上。研究團隊負責人、助理教授鍾天表示：「每個記憶單元都是一個缺失的單一原子——一個單一缺陷。現在我們可以在僅毫米大小的材料立方體中儲存TB級的資料。」

這項創新是跨領域研究的典範，將量子技術應用於革新傳統非量子電腦，並將輻射劑量計的研究轉化為突破性的微電子記憶體儲存技術。研究第一作者、博士後研究員Leonardo França表示：「我們找到了一種將固態物理應用於輻射劑量測量的方法，同時結合了量子研究團隊的專業。雖然我們的研究並非完全量子化，但它正好處於量子與光學資料儲存的交界處。」

這項研究始於França在巴西聖保羅大學攻讀博士期間。當時他正在研究輻射劑量計，這些裝置用於記錄醫院、同步輻射設施等場所工作人員所接收的輻射劑量。França解釋道：「在醫院和粒子加速器中，我們需要監測人們暴露於多少輻射劑量。某些材料具有吸收輻射並儲存該資訊的能力。」

他很快對如何透過光學技術（即照射光線）來操縱和讀取這些資訊產生了濃厚興趣。França說：「當晶體吸收足夠能量時，它會釋放電子和空穴。這些電荷被缺陷捕獲，我們可以讀取這些資訊。你可以釋放電子，我們就能透過光學方式讀取資訊。」

França很快意識到這項技術在記憶體儲存方面的潛力。他將這項非量子研究帶入鍾天的量子實驗室，利用量子技術創造出跨領域的創新，開發出新型微電子裝置。鍾天稱之為「量子啟發技術」。

為了創造新的記憶體儲存技術，研究團隊在晶體中新增了稀土元素（又稱鑭系元素）的離子。具體來說，他們使用了稀土元素鐠和氧化釔晶體，但他們報告的過程可以應用於多種材料，充分利用稀土元素強大而靈活的光學特性。

França解釋道：「眾所周知，稀土元素具有特定的電子躍遷，允許我們選擇特定的雷射激發波長進行光學控制，從紫外線到近紅外線範圍。」與通常由X射線或伽馬射線啟用的劑量計不同，這種儲存裝置只需簡單的紫外線雷射即可啟用。雷射刺激鑭系元素，進而釋放電子。這些電子被氧化物晶體的一些缺陷捕獲，例如結構中本應存在單個氧原子但實際缺失的個別空隙。

França表示：「無論是天然還是人造晶體，都不可能找到沒有缺陷的。所以我們正在利用這些缺陷。」雖然這些晶體缺陷常被用於量子研究，但芝加哥大學普利茲克分子工程學院團隊發現了另一種用途。他們能夠控制缺陷何時帶電，何時不帶電。透過將帶電的空隙指定為1，不帶電的空隙指定為0，他們成功將晶體轉化為傳統計算中前所未見的強大記憶體儲存裝置。

鍾天總結道：「在這個毫米級的立方體中，我們展示了至少存在約10億個基於原子的傳統記憶單元。」這項研究由美國能源部科學辦公室資助，合約編號DE-AC0206CH11357，用於支援微電子研究。