“量子CD”可以容纳比今天的光盘多1000倍的数据

一项新的提案借鉴了量子力学的原理和一种名为“波长复用”的技术，提出了一种超密集的新存储格式。

科学家们提出了一种利用量子力学的强大特性的新型数据存储设备。

这种超高密度光存储设备将由许多存储单元组成，每个存储单元都包含嵌入固体材料的稀土元素 —— 在这种情况下，是氧化镁（MgO）晶体。稀土元素释放出光子或光粒子，这些光子被附近的“量子缺陷”吸收 —— 晶格中含有未成键电子的空位，被光吸收激发。

目前的光存储器存储方法，如CD和DVD，受到光的衍射极限的限制，这意味着存储在设备上的单个数据不能小于读取和写入数据的激光的波长。然而，科学家们假设，通过使用一种称为“波长复用”的技术，将稍微不同波长的光组合在一起，光盘就可以在同一区域内容纳更多的数据。

现在，研究人员提出MgO可以与窄带稀土发射体穿插在一起。这些元素发出特定波长的光，这些光可以密集地聚集在一起。科学家们在8月14日的《物理评论研究》杂志上发表了他们的研究结果。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授、该研究的合著者朱利亚·加利在一份声明中说：“我们研究出了缺陷之间能量转移背后的基本物理原理，这可能是一种令人难以置信的高效光存储方法的基础。”

加利补充说，这项研究模拟了光如何在纳米尺度上传播，以了解能量如何在稀土发射器和材料中的量子缺陷之间移动，以及量子缺陷如何存储捕获的能量。

科学家们已经了解了固体材料中的量子缺陷是如何与光相互作用的。但是他们还没有研究当光源非常近的时候，比如窄带稀土发射器嵌入几纳米（百万分之一毫米）的时候，量子缺陷的行为是如何变化的。

光子比传统的激光光子小得多。相比之下，来自传统光学或近红外激光发射器的光子往往是500纳米到1微米（千分之一毫米）。因此，这项新研究可能会使数据存储设备的密度比以前高1000倍。

科学家们发现，当量子缺陷吸收了附近稀土元素发出的窄带能量时，它们从基态被激发并翻转成自旋态。由于自旋态转变很难逆转，这些缺陷可能会在一段有用的时间内存储数据 —— 尽管需要进一步的工作来测量，这位科学家说。此外，窄带稀土发射器产生更小波长的光，这使得数据存储方法比其他光学方法更密集。

大多数基于量子的技术在接近绝对零度的条件下运行，这抑制了退相干和去相 —— 量子系统中信息的损坏和丢失。为了使基于这项研究的技术可行，它需要在室温下运行。

“为了开始将其应用于光存储器的开发，我们仍然需要回答关于这种激发态持续多长时间，以及我们如何读取数据的其他基本问题，”Argonne国家实验室的博士后研究员Swarnabha Chattaraj在声明中说。“但了解这种近场能量转移过程是重要的第一步。”

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