研究人员提出了基于原子尺度缺陷的永久数据存储新途径

随着互联网、社交媒体和云计算的发展，全球每天产生的数据量正在激增。这就需要有新的技术来提供更高的存储密度，并结合安全的长期数据存档，这远远超出了传统数据存储设备的能力。德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）领导的一个国际研究小组现在提出了一种基于碳化硅（一种半导体材料）原子级缺陷的长期数据存储新概念。

通过聚焦离子束将信息写入光学活性原子缺陷（左图），并利用阴极发光或光致发光（右图）读取信息。资料来源：M. Hollenbach, H. Schultheiß

研究小组在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志上报告说，这些缺陷是由聚焦离子束产生的，具有空间分辨率高、写入速度快、存储单个比特能量低等特点。

据最新估计，每天产生的新数据约为 3.3 亿 TB，仅在过去两年中就产生了全球 90% 的数据。如果说单纯的数字已经表明需要先进的数据存储技术，那么这绝不是与这一发展相关的唯一问题。当前存储介质的存储时间有限，需要在几年内进行数据迁移，以避免数据丢失。HZDR 离子束物理与材料研究所的 Georgy Astakhov 博士说："除了陷入永久数据迁移程序之外，这还大大增加了能源消耗，因为在此过程中会消耗大量能源。"

为了缓解这一迫在眉睫的危机，Astakhov 的团队现在引入了一种基于碳化硅原子级缺陷的长期数据存储新概念。这些缺陷由聚焦的质子或氦离子束造成，并利用与缺陷相关的发光机制进行读取。

传统存储设备如何受物理学制约

目前，磁性存储器是追求大容量的数据存储解决方案的首选，但物理定律为可实现的存储密度设定了限制。要提高存储密度，就必须缩小磁性颗粒的尺寸。但这样一来，材料中的热波动和扩散过程就变得越来越重要，对存储时间的影响也越来越大。调整材料的磁性可能会抑制这种影响，但这是有代价的：存储信息的能量更高。同样，光学设备的性能也受到物理定律的制约。由于所谓的衍射极限，最小记录位的大小受到限制：它不能小于光波长的一半，这就设定了最大存储容量的极限。出路在于多维光学记录。

碳化硅具有原子尺度的缺陷，尤其是晶格部位没有硅原子。这些缺陷是由聚焦的质子或氦离子束产生的，具有空间分辨率高、写入速度快、存储单个比特的能量低等特点。光学介质固有的存储密度衍射限制同样适用于这种的情况。研究人员通过 4D 编码方案克服了这一限制。在这里，通过控制横向位置和深度以及缺陷数量，实现了三个空间维度和额外的第四个强度维度。然后，他们通过光激发引发的光致发光来读出存储的数据。此外，通过聚焦电子束激发可观察到阴极发光，从而大大提高了存储密度。

世代存储数据怎样实现

根据介质保存的环境条件，存储的信息可能会再次从缺陷中消失，但考虑到他们的材料，科学家们等到了一个好消息。Astakhov说："这些缺陷的失活与温度有关，这表明在环境条件下，这些缺陷的保留时间最短可达几代。还有更多。利用近红外激光激发、现代编码技术和多层数据存储（即在多达十层碳化硅层上相互堆叠），研究小组达到了与蓝光光盘相当的面积存储密度。在数据读出时，改用电子束激发而不是光学激发，这种方式所能达到的极限相当于目前报道的原型磁带的记录面积存储密度，但存储时间更短，能耗更高。"