突破物理定律限制！“晶体缺陷”正掀起一场信息存储的革命

在我们如今的数字世界里，信息的存储从来都不是一个简单的技术问题。它是整个科技进步的基石，是推动人工智能、云计算、大数据等各项技术蓬勃发展的动力。如今，随着量子技术的逐步进展，人类也开始重新审视传统存储技术的极限，试图打破那一道由物理定律所设限的天花板。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员已经探索了一种从晶体缺陷中制造1和0的技术，每个晶体缺陷的大小都与经典计算机内存中的单个原子一样。他们的研究发表在最近的《纳米光子学》杂志上。这或许能让我们看到一条通向未来存储的新路，这条路，并非依赖于更大、更快的硬盘，也非依赖于复杂的集成电路，而是依赖于——晶体缺陷。

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这项革命性的研究源自于一个看似和信息存储无关的领域——辐射剂量监测。辐射剂量仪，顾名思义，就是用来记录辐射暴露量的设备。我们可能常常听到医院放射科或者粒子加速器里的人们使用这类仪器来监控他们的辐射剂量。然而，正是这种看似无关的研究，却意外地为我们带来了突破性的存储技术。

研究的主角之一，莱昂纳多·弗朗萨（Leonardo França），在巴西圣保罗大学攻读博士期间，便深入研究了辐射剂量仪。他发现，某些材料在吸收辐射后，会存储下这些能量，且能够通过光学手段将这些存储的信息读取出来。这一发现，本来只是应用于辐射监控领域，然而，在将其带到芝加哥大学的量子实验室后，弗朗萨和他的团队意识到，这一技术可以大大扩展，应用到计算机存储领域，从而掀起了一场信息存储的革命。

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从辐射剂量仪到量子启发的存储设备，虽然看图似跨越了两个领域，但其实它们有着深刻的联系。辐射剂量仪依赖于特定材料的光学性质，而这些光学特性，正是量子技术能够充分挖掘的领域。弗朗萨的团队正是在这一点上找到了突破口——通过使用紫外光激发稀土元素，诱发出电子释放，并利用这些释放的电子在晶体缺陷中存储信息，最终实现了传统存储技术难以企及的存储密度。

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在这项技术中，稀土元素（如铈、镧等）扮演了至关重要的角色。稀土元素以其独特的光学特性而闻名，它们在特定的波长激发下能够激发电子跃迁，释放出电子或空穴。这一特性，使得稀土元素成为新一代存储介质的理想选择。通过将这些元素掺入晶体中，并利用紫外激光激发它们，研究人员能够精确控制电子的释放和捕捉，从而在晶体中形成可读写的记忆单元。

然而，真正让人眼前一亮的并不是稀土元素本身，而是这些材料中天然存在的“️缺陷”。晶体缺陷，一直以来被视为一种“瑕疵”，在许多量子实验中，它们被用作量子比特的载体，帮助我们探索量子计算的可能性。而在这项研究中，研究人员巧妙地利用了晶体中的缺陷——每一个缺陷都可以被视为一个“记忆单元”，它可以存储一个二进制信息：缺陷处没有电子，表示“0”；而电子被捕获在缺陷处，表示“1”。通过控制这些缺陷的充电状态，研究人员成功地在一个毫米见方的晶体中创建了数十亿个记忆单元。

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回顾过去几十年，存储技术经历了几次重大突破。硬盘的存储密度逐渐提升，半导体存储的速度逐渐加快，从磁带到CD，再到固态硬盘，存储技术的每一步进展都极大地推动了计算机及各类电子设备的发展。然而，这些技术的核心问题始终没有得到根本解决——存储密度与技术的瓶颈。