Equipe apresenta novo caminho para armazenamento de dados de longo prazo baseado em defeitos em escala atômica
Um conceito de armazenamento óptico de dados de longo prazo em carboneto de silício. A informação é escrita em defeitos atômicos opticamente ativos por um feixe de íons focado (esquerda) e lida usando a catodoluminescência ou fotoluminescência (direita). Crédito:M. Hollenbach, H. Schultheiss Com o desenvolvimento da Internet, das redes sociais e da computação em nuvem, a quantidade de dados criados diariamente em todo o mundo é vertiginosa. Isto exige novas tecnologias que possam fornecer densidades de armazenamento mais elevadas combinadas com um arquivamento seguro de dados a longo prazo, muito além das capacidades dos dispositivos tradicionais de armazenamento de dados.
Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo HZDR propõe agora um novo conceito de armazenamento de dados de longo prazo baseado em defeitos em escala atômica em carboneto de silício, um material semicondutor. Esses defeitos são criados por um feixe de íons focado, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. A pesquisa foi publicada na revista Advanced Functional Materials .
As estimativas mais recentes pressupõem cerca de 330 milhões de terabytes de novos dados criados todos os dias, com 90% dos dados mundiais gerados apenas nos últimos dois anos. Se os números já sugerem a necessidade de tecnologias avançadas de armazenamento de dados, este não é de forma alguma o único problema associado a este desenvolvimento.
"O tempo limitado de armazenamento dos meios de armazenamento atuais exige a migração de dados dentro de vários anos para evitar qualquer perda de dados. Além de ficar preso em procedimentos perpétuos de migração de dados, isso aumenta substancialmente o consumo de energia, porque uma quantidade significativa de energia é consumida no processo, " diz o Dr. Georgy Astakhov, do Instituto de Física de Feixes de Íons e Pesquisa de Materiais da HZDR.
Para mitigar esta crise iminente, a equipe de Astakhov apresenta agora um novo conceito de armazenamento de dados de longo prazo baseado em defeitos em escala atômica no carboneto de silício. Esses defeitos são infligidos por um feixe focalizado de prótons ou íons de hélio e lidos por meio de mecanismos de luminescência associados aos defeitos.
Dispositivos de armazenamento tradicionais controlados pela física
Atualmente, a memória magnética é a principal escolha quando se trata de soluções de armazenamento de dados que visam grandes capacidades, enquanto as leis da física estabelecem os limites para as densidades de armazenamento alcançáveis. Para aumentá-los, o tamanho das partículas magnéticas deve diminuir. Mas então, as flutuações térmicas e os processos de difusão no material ganham importância, com impacto deteriorante no tempo de armazenamento.
Ajustar as propriedades magnéticas do material pode suprimir esse efeito, mas isso tem um preço:uma energia maior para armazenar informações. Da mesma forma, o desempenho dos dispositivos ópticos também é prejudicado pelas leis da física. Devido ao chamado limite de difração, o menor bit de gravação tem tamanho restrito:ele não pode ser menor que metade do comprimento de onda da luz, estabelecendo o limite da capacidade máxima de armazenamento. A saída é a gravação óptica multidimensional.
O carboneto de silicone apresenta defeitos em escala atômica, especialmente a ausência de átomos de silício no local da rede. Os defeitos são criados por um feixe focado de prótons ou íons de hélio, proporcionando alta resolução espacial, rápida velocidade de gravação e baixa energia para armazenar um único bit. "O limite de difração da densidade de armazenamento inerente à mídia óptica também se aplica ao nosso caso. Nós o superamos por meio de esquemas de codificação 4D.
“Aqui, as três dimensões espaciais e uma quarta dimensão de intensidade adicional são realizadas controlando a posição lateral e a profundidade, bem como o número de defeitos. Em seguida, lemos opticamente os dados armazenados por meio de fotoluminescência provocada por excitação óptica.
"Além disso, a densidade de armazenamento de área pode ser significativamente melhorada usando excitação por feixe de elétrons focada, causando catodoluminescência observável", afirma Astakhov.
Armazenamento de dados por gerações
As informações armazenadas podem ser eliminadas novamente dos defeitos, dependendo das condições ambientais em que o meio é mantido, mas os cientistas têm boas notícias considerando seu material. "A desativação desses defeitos dependente da temperatura sugere um tempo de retenção mínimo ao longo de algumas gerações em condições ambientais", diz Astakhov.
E há mais. Com excitação de laser infravermelho próximo, técnicas modernas de codificação e armazenamento de dados multicamadas, ou seja, o empilhamento de até 10 camadas de carboneto de silício umas sobre as outras, a equipe atinge uma densidade de armazenamento de área que corresponde à dos discos Blu-ray.
Mudando para excitação por feixe de elétrons em vez de excitação óptica para a leitura de dados, o limite alcançável desta maneira corresponde a uma densidade de armazenamento de área de registro atualmente relatada de um protótipo de fita magnética, que tem, no entanto, tempo de armazenamento mais curto e maior consumo de energia .
Para este trabalho, os cientistas de Rossendorf uniram forças com pesquisadores da Universidade Julius-Maximilian de Würzburg (Alemanha), Laboratório de Propulsão a Jato, Instituto de Tecnologia da Califórnia (EUA), Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quântica (Japão) e Universidade de Tohoku (Japão). . A abordagem conceitual da equipe não se limita ao carboneto de silício e pode ser estendida a outros materiais com defeitos opticamente ativos, incluindo materiais 2D.
