Una nuova tecnica per immagazzinare terebayte di dati in cristalli, utilizzando difetti atomici come singoli bit. Sviluppata dai ricercatori dell’University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME), questa innovazione promette di aumentare drasticamente la densità di immagazzinamento dati rispetto alle tecnologie attuali.
Considerando solo gli ultimi venticinque anni, la capacità di memorizzazione delle memorie di massa è aumentata di diversi ordini di grandezza, passando dagli hard disk di base da 4 – 12 gigabyte a una base minima di 500 gigabyte odierni. Gli hard disk meccanici sono stati nel frattempo perfezionati anche in termini di velocità.
Attualmente lo standard è rappresentato dagli SSD, memorie allo stato solido prive di parti meccaniche in movimento (quindi molto meno esigente dal punto di vista energetico). In dimensioni pari alla metà di una carta di credito è oggi possibile memorizzare la stessa quantità di dati che in disco meccanico di dimensioni venti volte maggiore. Ma per il passaggio successivo, le memorie del futuro, è necessario un notevole salto tecnologico. Fino a coinvolgere la meccanica quantistica.
La ricerca sfrutta i princìpi della meccanica quantistica applicati a memorie convenzionali
La nuova tecnica si basa infatti sull’utilizzo di difetti nei cristalli, precisamente lacune atomiche, come celle di memoria. Un difetto carico rappresenta un “uno”, mentre un difetto non carico rappresenta uno “zero”.
“Ogni cella di memoria è un singolo atomo mancante – un singolo difetto.” spiega Tian Zhong, Professore Assistente della UChicago PME. “Quindi possiamo caricare terabytes di bit in un cubetto di materiale delle dimensioni di appena un millimetro”.
Questa tecnica permette di impacchettare dati, terabyte di memoria, in un cubo di materiale di soli pochi millimetri di lato. La densità di storage è drasticamente superiore rispetto alle memorie convenzionali.
“Abbiamo dimostrato che in un cubo di un millimetro c’è almeno un miliardo di queste memorie basate sugli atomi” continua Zhong.
Il team ha utilizzato ioni di terre rare (lantanoidi), in questo caso un elemento chiamato Praseodimio in un cristallo di ossido di Ittrio, ma la tecnica può essere adattata a diversi materiali sfruttando le proprietà ottiche di questi elementi.
“È impossibile trovare cristalli, naturali o artificiali, che non abbiano difetti. Ciò che facciamo è sfruttare a nostro vantaggio tali difetti” spiega Leonardo França, primo autore dello studio.
La densità di immagazzinamento, terabyte di memoria in un millimetro, è diversi ordini di grandezza superiore alle memorie odierne
La ricerca ha origine dagli studi sui dosimetri di radiazione, dispositivi che monitorano passivamente l’esposizione alle radiazioni in ambienti come ospedali e acceleratori di particelle. Ma a differenza dei dosimetri di radiazioni che si attivano con raggi X o gamma, questo dispositivo di immagazzinamento dati è attivato da un laser ultravioletto. Il laser stimola i lantanoidi, che rilasciano elettroni intrappolati poi dai difetti nel cristallo.
Il progetto è un esempio di ricerca interdisciplinare che combina la fisica dello stato solido, lo studio della dosimetria delle radiazioni e tecniche quantistiche. Pur non essendo un’applicazione strettamente quantistica, sfrutta concetti e tecniche derivanti dalla ricerca quantistica per migliorare le memorie classiche.
Potendo trovare applicazione in una vasta gamma di dispositivi elettronici, la tecnologia ha il potenziale per rivoluzionare le memorie classiche non volatili (quelle cioè che non perdono il proprio contenuto quando vengono “spente”, in assenza di alimentazione), aumentando significativamente la loro capacità di storage.
Lo studio All-optical control of charge-trapping defects in rare-earth doped oxides è stato pubblicato su Nanophotonics (14 febbraio 2025).
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