Dos teares operados por cartões perfurados da década de 1800 aos celulares modernos, se um objeto tiver um estado "ligado" e um "desligado", ele pode ser usado para armazenar informações.

Em um laptop, os uns e zeros binários são transistores que funcionam em baixa ou alta voltagem. Em um CD, o um é um ponto onde um pequeno "poço" recuado se transforma em uma "terra" plana ou vice-versa, enquanto um zero é quando não há mudança.

Historicamente, o tamanho do objeto que faz os "uns" e "zeros" colocou um limite no tamanho do dispositivo de armazenamento. Mas agora, pesquisadores da University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) exploraram uma técnica para fazer uns e zeros a partir de defeitos de cristal, cada um do tamanho de um átomo individual para aplicações clássicas de memória de computador.

A pesquisa foi publicada hoje na Nanophotonics .

"Cada célula de memória é um único átomo faltante — um único defeito", disse o professor assistente de PME da UChicago, Tian Zhong. "Agora você pode empacotar terabytes de bits dentro de um pequeno cubo de material que tem apenas um milímetro de tamanho."

A inovação é um verdadeiro exemplo da pesquisa interdisciplinar da UChicago PME , que usa técnicas quânticas para revolucionar computadores clássicos não quânticos e transformar pesquisas sobre dosímetros de radiação — mais comumente conhecidos como dispositivos que armazenam a quantidade de radiação que os trabalhadores de hospitais absorvem das máquinas de raio X — em um armazenamento de memória microeletrônica inovador.

"Encontramos uma maneira de integrar a física do estado sólido aplicada à dosimetria de radiação com um grupo de pesquisa que trabalha fortemente em quantum, embora nosso trabalho não seja exatamente quântico", disse o primeiro autor Leonardo França, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Zhong. "Há uma demanda por pessoas que estejam fazendo pesquisas em sistemas quânticos , mas, ao mesmo tempo, há uma demanda para melhorar a capacidade de armazenamento de memórias não voláteis clássicas. E é nessa interface entre armazenamento de dados quânticos e ópticos que nosso trabalho está fundamentado."

A pesquisa começou durante a pesquisa de doutorado de França na Universidade de São Paulo, no Brasil. Ele estava estudando dosímetros de radiação, os dispositivos que monitoram passivamente quanta radiação os trabalhadores em hospitais, síncrotrons e outras instalações de radiação recebem no trabalho.

"Nos hospitais e nos aceleradores de partículas , por exemplo, é preciso monitorar a que quantidade de dose de radiação as pessoas são expostas", disse França. "Existem alguns materiais que têm essa capacidade de absorver radiação e armazenar essa informação por um certo período de tempo."

Ele logo ficou fascinado pela forma como, por meio de técnicas ópticas — brilhando uma luz — ele conseguia manipular e "ler" essas informações.

França logo viu o potencial para armazenamento de memória. Ele trouxe esse trabalho não quântico para o laboratório quântico de Zhong para criar uma inovação interdisciplinar usando técnicas quânticas para construir memórias clássicas.

"Estamos criando um novo tipo de dispositivo microeletrônico, uma tecnologia inspirada na tecnologia quântica", disse Zhong.

Para criar a nova técnica de armazenamento de memória, a equipe adicionou íons de "terras raras", um grupo de elementos também conhecidos como lantanídeos, a um cristal.

Especificamente, eles usaram um elemento de terras raras chamado praseodímio e um cristal de óxido de ítrio, mas o processo que eles relataram poderia ser usado com uma variedade de materiais, aproveitando as propriedades ópticas poderosas e flexíveis das terras raras.

"É bem sabido que terras raras apresentam transições eletrônicas específicas que permitem escolher comprimentos de onda específicos de excitação de laser para controle óptico, desde regimes de UV até infravermelho próximo", disse França.

Diferentemente dos dosímetros, que são tipicamente ativados por raios X ou raios gama, aqui o dispositivo de armazenamento é ativado por um simples laser ultravioleta. O laser estimula os lantanídeos, que por sua vez liberam elétrons. Os elétrons são presos por alguns dos defeitos do cristal de óxido, por exemplo, as lacunas individuais na estrutura onde um único átomo de oxigênio deveria estar, mas não está.

"É impossível encontrar cristais — na natureza ou artificiais — que não tenham defeitos", disse França. "Então o que estamos fazendo é tirar vantagem desses defeitos."

Embora esses defeitos de cristal sejam frequentemente usados ??em pesquisa quântica, emaranhados para criar "qubits" em gemas de diamante esticado a espinélio , a equipe da UChicago PME encontrou outro uso. Eles foram capazes de orientar quando os defeitos eram carregados e quais não eram. Ao designar uma lacuna carregada como "um" e uma lacuna não carregada como "zero", eles foram capazes de transformar o cristal em um poderoso dispositivo de armazenamento de memória em uma escala nunca vista na computação clássica.

"Dentro desse cubo milimétrico, demonstramos que há pelo menos um bilhão dessas memórias — memórias clássicas, memórias tradicionais — baseadas em átomos", disse Zhong.