从 19 世纪打孔卡驱动的织布机，到如今人人不离手的智能手机，数据存储一直遵循着一个简单的原理：一个能在 “开” 和 “关” 两种状态间切换的物体，就可以用来存储信息。在现代计算机里，二进制代码 “0” 和 “1” 通过不同的物理形式呈现。比如在笔记本电脑中，晶体管通过高电压或低电压来代表 “1” 和 “0”；在光盘上，从微小的凹坑过渡到平面的地方表示 “1”，没有变化的区域则表示 “0” 。但一直以来，这些代表二进制的物理部件的大小，限制了设备的数据存储量。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员带来了令人惊喜的消息！他们研发出了一种全新的方法，利用晶体中的缺陷 —— 原子层面的不完美之处，来编码 “0” 和 “1”。这一突破有望大幅提升传统计算机的存储能力，相关研究成果已于 2 月 14 日发表在《纳米光子学》杂志上。

“每个存储单元就是一个缺失的原子，也就是一个原子缺陷。” 芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授田忠介绍道，“现在，我们能在一个边长仅 1 毫米的小立方材料里，存储数万亿比特的数据。” 这一创新成果充分体现了学院的跨学科研究实力，研究团队借助量子技术，对传统非量子计算机进行革新，把原本用于辐射剂量计（就是记录医院工作人员从 X 光机吸收了多少辐射的设备）的研究，转化为了突破性的微电子存储技术。

论文第一作者、田忠实验室的博士后研究员莱昂纳多・弗兰萨说：“我们找到了一种方法，将应用于辐射剂量测定的固态物理学，与量子领域的研究相结合，虽然我们的研究并不完全属于量子范畴。目前，量子系统研究备受关注，同时，提升传统非易失性存储器的存储容量也很有必要，我们的研究就处于量子和光数据存储的交叉点。”

这项研究最初源于弗兰萨在巴西圣保罗大学攻读博士学位期间。当时，他在研究辐射剂量计，这种设备可以记录医院、同步加速器和其他辐射场所工作人员的辐射暴露量。弗兰萨解释说：“在医院和粒子加速器等场所，监测人们的辐射剂量十分必要。有些材料具备吸收辐射并在一定时间内存储这些信息的能力。”

在研究过程中，弗兰萨发现通过光学技术，也就是用光照射，就可以操控和 “读取” 这些存储在材料里的信息。他说：“当晶体吸收足够的能量，就会释放出电子和空穴，这些电荷会被缺陷捕获。我们可以读取这些信息，通过释放电子，利用光学手段就能读出其中的内容。” 很快，弗兰萨意识到这一技术在数据存储方面的巨大潜力。于是，他把这项非量子领域的研究带入田忠的量子实验室，利用量子技术构建传统存储器，实现了跨学科创新。

田忠表示：“我们正在创造一种新型微电子器件，这是一项受量子技术启发的成果。”

为了实现这种新的数据存储技术，研究团队在晶体中添加了 “稀土” 离子，稀土元素也被称为镧系元素。具体来说，他们使用了一种名为镨的稀土元素和氧化钇晶体。不过，他们所采用的方法并不局限于此，利用稀土元素强大且灵活的光学特性，这一过程可以应用于多种材料。

弗兰萨提到：“大家都知道，稀土元素存在特定的电子跃迁现象，这使得我们可以选择特定的激光激发波长进行光控，从紫外线到近红外波段都可以。”

与通常由 X 射线或伽马射线激活的辐射剂量计不同，这种存储设备只需用普通的紫外激光就能激活。激光刺激镧系元素，使其释放电子，这些电子会被氧化钇晶体的一些缺陷捕获，比如结构中单个氧原子缺失形成的空位。

弗兰萨还说：“无论是天然晶体还是人造晶体，都不可避免地存在缺陷，我们正是利用了这些缺陷。”

通常，这些晶体缺陷在量子研究中常被用于制造 “量子比特”，比如在拉伸的钻石和尖晶石等宝石中。但芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究团队发现了它们的新用途。他们能够控制缺陷是否带电，将带电的空位设为 “1”，不带电的设为 “0”，把晶体变成了传统计算机难以企及的强大存储设备。

田忠介绍：“在这个 1 毫米的立方体内，我们证明了至少存在 10 亿个基于原子的存储单元，也就是传统的经典存储器。” 这项研究为未来数据存储的发展提供了新方向，说不定在不久的将来，我们的电子设备就能凭借这项技术拥有超大存储容量，让我们一起拭目以待吧！

参考资料：DOI： 10.1515/nanoph-2024-0635