ミリメートル結晶にテラバイトのデータ

May, 9, 2025, Chicago--カリフォルニア大学シカゴ校(UChicago) Pritzker Molecular Engineeringの研究者は、マイクロエレクトロニクスに「量子に触発された」革命を生み出し、原子があるべき結晶ギャップに古典的なコンピューターメモリを格納した。

1800年代のパンチカード式織機から現代の携帯電話まで、オブジェクトが「オン」と「オフ」の状態にある場合、情報を保存するために使用できる。

コンピュータのラップトップでは、バイナリの1と0は、低電圧または高電圧で動作するトランジスタ。コンパクトディスクでは、1つは小さなインデントされた「ピット」が平らな「ランド」に変わる場所、またはその逆の場所であり、ゼロは変化がない場合である。

歴史的に、「1」と「０」を作成するオブジェクトのサイズは、ストレージデバイスのサイズに制限を設けてきた。しかし現在、シカゴ大学プリツカー分子工学部(UChicago PME)の研究者たちは、古典的なコンピュータメモリアプリケーション向けに、個々の原子のサイズの結晶欠陥から1と0を作成する技術を探求している。

チームの研究成果は、Nanophotonicsに掲載された。

「各メモリーセルは、1つの欠損原子、つまり1つの欠陥である。今では、わずか1㎜のサイズの小さな立方体の材料にテラバイト単位のビットを詰め込むことができる」と、UChicagoのPME助教授Tian Zhongは話している。

このイノベーションは、UChicago PMEの学際的な研究の真の例であり、量子技術を使用して従来の非量子コンピュータに革命をもたらし、放射線量計の研究(最も一般的には病院の労働者がX線装置から吸収する放射線量を保存するデバイスとして知られている)を画期的なマイクロ電子メモリストレージに変えている。

「われわれは、放射線量測定に適用される固体物理学を、量子で強力に機能する研究グループと統合する方法を見つけた。しかし、われわれの研究は正確には量子ではない」と、Zhongの研究室のポスドク研究員、筆頭著者のLeonardo Françaは話している。「量子システムの研究をしている人には需要があるが、同時に、古典的な不揮発性メモリの記憶容量を向上させることが求められている。また、量子データストレージと光データストレージの間のこのインタフェースでは、われわれの仕事が根底にある。」

放射線量測定から光ストレージまで
この研究は、ブラジルのサンパウロ大学でのFrançaのPh.Dの研究中に始まった。同氏は、病院やシンクロトロン、その他の放射線施設の放射線従事者が仕事でどれだけの放射線を受けるかを記録する装置である放射線量計を研究していた。

「例えば、病院や粒子加速器では、人々がどれだけの放射線量に被曝しているかを監視する必要がある。放射線を吸収し、その情報を一定時間保存する能力を持つ材料がいくつかある」(França)。

同氏はすぐに、光を当てる光学技術を通じて、その情報を操作し、「読み取る」ことができる方法に魅了された。

「結晶が十分なエネルギーを吸収すると、電子と正孔が放出される。すると、これらの電荷は欠陥によって捕捉される。われわれはその情報を読み取ることができる。電子を放出することができ、われわれは光学的手段で情報を読み取ることができる」(França)。

Françaはすぐにメモリストレージの可能性を見出した。この非量子研究をZhongの量子研究所に持ち込み、量子技術を使用して古典的な記憶を構築するための学際的なイノベーションを生み出した。

「われわれは、量子に触発された新しいタイプのマイクロエレクトロニクスデバイスを作成している」(Zhong)

希土類
新しいメモリストレージ技術を作成するために、チームはランタノイドとしても知られる元素のグループである「希土類」のイオンを結晶に追加した。

具体的には、プラセオジムと呼ばれる希土類元素と酸化イットリウム結晶を使用したが、チームが報告したプロセスは、希土類の強力で柔軟な光学特性を利用して、様々な材料で使用できる可能性がある。

「希土類は特定の電子遷移を示すことはよく知られている。これにより、UVからNIR領域まで、光学制御のために特定のレーザ励起波長を選択できる」(França)。

通常、X線やガンマ線によって活性化される線量計とは異なり、ここでは記憶装置は単純な紫外線レーザによって活性化される。レーザはランタニドを刺激し、ランタニドは電子を放出する。電子は、酸化物結晶の欠陥の一部、たとえば、単一の酸素原子があるはずなのに存在しない構造の個々のギャップによって捕捉される。

「自然界や人工の結晶で、欠陥のない結晶を見つけることは不可能。つまり、われわれが行っているのは、これらの欠陥を利用するということである」(França)。

これらの結晶欠陥は量子研究でよく使用され、引き伸ばされたダイヤモンドからスピネルまでの宝石に「量子ビット」を作成するためにもつれているが、UChicagoのPMEチームは別の用途を見つけた。チームは、欠陥が荷電されたときとそうでないときをガイドすることができた。帯電したギャップを「1」、帯電していないギャップを「0」と指定することで、従来のコンピューティングでは見られなかったスケールで、水晶を強力なメモリストレージデバイスに変えることができた。

「その㎜立方体の中には、原子に基づくこれらの記憶(古典的な記憶、伝統的な記憶)が少なくとも約10億個あることを示した」(Zhong)。