Med utvecklingen av internet, sociala medier och cloud computing är mängden data som skapas över hela världen dagligen skyhöga. Detta kräver ny teknik som kan ge högre lagringstätheter i kombination med säker långsiktig dataarkivering långt utöver kapaciteten hos traditionella datalagringsenheter.
Ett internationellt forskarlag under ledning av HZDR föreslår nu ett nytt koncept för långtidslagring av data baserat på atomskaliga defekter i kiselkarbid, ett halvledande material. Dessa defekter skapas av en fokuserad jonstråle, som ger hög rumslig upplösning, snabb skrivhastighet och låg energi för lagring av en enda bit. Forskningen är publicerad i tidskriften Advanced Functional Materials .
De senaste uppskattningarna antar att cirka 330 miljoner terabyte ny data skapas varje dag, med 90 % av världens data genererad bara under de senaste två åren. Om de stora siffrorna redan tyder på behovet av avancerad datalagringsteknik är det inte på något sätt det enda problemet som är förknippat med denna utveckling.
"Den begränsade lagringstiden för nuvarande lagringsmedia kräver datamigrering inom flera år för att undvika all dataförlust. Förutom att vara instängd i ständiga datamigreringsprocedurer ökar detta energiförbrukningen avsevärt, eftersom en betydande mängd energi förbrukas i processen, " säger Dr Georgy Astakhov från Institutet för jonstrålefysik och materialforskning vid HZDR.
För att mildra denna hotande kris introducerar Astakhovs team nu ett nytt koncept för långtidslagring av data baserat på atomskaliga defekter i kiselkarbid. Dessa defekter orsakas av en fokuserad stråle av protoner eller heliumjoner och avläses med hjälp av luminescensmekanismer associerade med defekterna.
För närvarande är magnetiskt minne det främsta valet när det kommer till datalagringslösningar som syftar till stor kapacitet, medan fysikens lagar sätter gränserna för uppnåbara lagringstätheter. För att öka dem måste storleken på de magnetiska partiklarna krympa. Men sedan ökar termiska fluktuationer och diffusionsprocesser i materialet i betydelse, med försämrad påverkan på lagringstiden.
Att justera materialets magnetiska egenskaper kan undertrycka denna effekt, men detta kommer med en prislapp:en högre energi för att lagra information. På samma sätt hindras prestanda hos optiska enheter av fysikens lagar. På grund av den så kallade diffraktionsgränsen är den minsta inspelningsbiten begränsad i storlek:Den kan inte bli mindre än hälften av ljusvåglängden, vilket sätter gränsen för den maximala lagringskapaciteten. Vägen ut är flerdimensionell optisk inspelning.
Silikonkarbid har defekter i atomskala, särskilt frånvaron av kiselatomer i gitterstället. Defekterna skapas av en fokuserad proton- eller heliumjonstråle, vilket ger hög rumslig upplösning, snabb skrivhastighet och låg energi för lagring av en enda bit. "Diffraktionsgränsen för lagringstäthet som är inneboende för optiska media gäller också i vårt fall. Vi övervinner den genom 4D-kodningsscheman.
"Här realiseras de tre rumsliga dimensionerna och ytterligare en fjärde intensitetsdimension genom att styra sidoläge och djup samt antalet defekter. Sedan läser vi optiskt ut de lagrade data med hjälp av fotoluminescens framkallad av optisk excitation.
"Dessutom kan den areella lagringstätheten förbättras avsevärt genom att använda fokuserad elektronstråleexcitering som orsakar observerbar katodoluminescens", säger Astakhov.
Den lagrade informationen skulle kunna slås ut från defekterna igen, beroende på miljöförhållanden som mediet förvaras i, men forskarna har goda nyheter med tanke på deras material. "Den temperaturberoende deaktiveringen av dessa defekter tyder på en retentionstid som är minimum under några generationer under omgivande förhållanden", säger Astakhov.
Och det finns mer. Med nära-infraröd laserexcitering, modern kodningsteknik och flerskiktsdatalagring, nämligen stapling av upp till 10 kiselkarbidlager ovanpå varandra, når teamet en lagringstäthet i området som motsvarar Blu-ray-skivornas.
Om man växlar till elektronstråleexcitering istället för optisk excitation för dataavläsningen, motsvarar gränsen som kan uppnås på detta sätt en för närvarande rapporterad lagringstäthet för ett prototypmagnetband, som dock har kortare lagringstid och högre energiförbrukning .
För detta arbete gick Rossendorf-forskarna samman med forskare från Julius-Maximilian University Würzburg (Tyskland), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology (USA), National Institutes for Quantum Science and Technology (Japan) och Tohoku University (Japan) . Teamets konceptuella tillvägagångssätt är inte begränsat till kiselkarbid och kan utvidgas till andra material med optiskt aktiva defekter, inklusive 2D-material.
Mer information: M. Hollenbach et al, Ultralong-Term High-Density Data Storage with Atomic Defects in SiC, Advanced Functional Materials (2024). DOI:10.1002/adfm.202313413
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
