量子啟發的微型晶片：未來儲存技術的革命

科學家們最近發現了一種革命性的資料儲存方式，能夠將數百TB的資料壓縮到僅幾毫米大小的晶體中。這項技術不僅具有極高的儲存密度，未來更有望擴充套件到碟片大小的裝置，並與現代計算系統相容。這意味著，我們可能很快就能在單一碟片上儲存高達PB級的資料，相當於約5000部4K電影的容量。

這項技術的核心在於利用晶體中的缺陷來儲存資料。研究人員在《奈米光子學》期刊上發表的最新研究中，展示瞭如何透過晶體中的缺陷捕獲電子來表示資料的「1」，而沒有捕獲電子則表示「0」。這種方法受到量子技術的啟發，結合了固態物理學和量子儲存的研究成果，儘管目前應用於傳統計算記憶體。

技術的運作原理是透過特定能量的鐳射激發電子。當電子被激發時，讀取裝置可以檢測到光的存在；反之，若沒有光，則表示沒有捕獲電子。這種方式僅在晶體中存在缺陷時有效，例如氧空位或外來雜質。研究的第一作者、芝加哥大學的物理學博士後研究員Leonardo França表示：「這些缺陷具有非常優異的特性，其中之一就是能夠儲存電荷。」

研究團隊使用了稀土離子作為摻雜劑，這些雜質的加入改變了材料的特性。關鍵在於找到一種方法，能夠激發特定稀土離子中的電子，使其被捕獲。這類似於在CD上製造一個凹坑來表示資料。França解釋道：「我們需要提供足夠的能量來釋放稀土離子中的電子，而附近的缺陷會感應到這一點，並透過內在電場捕獲電子。這就是寫入資料的過程。」

至於讀取資料，則需要使用另一種光源來釋放被缺陷捕獲的電子。這會導致電荷的重新組合，並釋放出光。然而，如果每次讀取資料都完全釋放電子，資料將會被擦除。因此，研究團隊使用較低能量的光源，僅部分擦除資訊，類似於磁帶資料在10到30年內逐漸消失的情況。

雖然研究團隊目前使用的是稀土元素鐠和氧化釔晶體，但這項技術同樣適用於其他非稀土元素晶體和非摻雜劑。稀土元素的優勢在於它們提供了已知且特定的波長，使我們能夠使用標準鐳射來激發電子。

研究人員的初始目標是實現對單個原子的控制。儘管尚未完全達成這一目標，但França相信，團隊所開創的技術已經為此奠定了基礎。這項技術的可擴充套件性極高，未來可能帶來低成本、高密度的儲存格式，應用於多種領域。

好訊息是，光學和鐳射技術已經非常成熟且成本低廉。同樣，晶體的大規模生產成本也相對較低。主要的挑戰在於獲取稀土元素並開發出在大規模製造中引入缺陷的方法。如果這些障礙能夠克服，這種晶體可以被製成碟片，並由廉價的讀取裝置進行讀取。最終的問題將圍繞在假設的碟片上能夠多密集地儲存資料。

França表示：「在我們研究的晶體中，約40mm³的體積可以儲存約260TB的資料。」透過進一步增加缺陷密度，未來在單一碟片大小的裝置上儲存PB級資料將成為可能。這項技術的潛力無疑將為資料儲存領域帶來革命性的變革。