Almacenan terabytes de datos en un cubo de cristal milimétrico
Ingenieros logran un avance revolucionario en la microelectrónica, inspirado en principios cuánticos: desarrollan un método para almacenar memoria informática clásica en vacíos dentro de cristales, en los lugares donde normalmente estarían los átomos.
Por Enrique Coperías
Un cristal utilizado en el estudio se carga bajo luz ultravioleta. El proceso podría utilizarse con diversos materiales, aprovechando las potentes y flexibles propiedades ópticas de las tierras raras. Cortesía: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Zhong Lab
Desde los telares que usaban tarjetas perforadas en el siglo XIX, para conseguir tejer patrones en la tela, hasta los modernos teléfonos móviles, cualquier objeto con estados de encendido y apagado puede emplearse para almacenar información.
En un ordenador portátil, los unos y ceros del sistema binario se representan mediante transistores que operan a bajo o alto voltaje. En un disco compacto, un uno es una transición entre una fosa dentada y una superficie plana, mientras que un cero indica la ausencia de cambio.
Históricamente, el tamaño del componente que genera estos unos y ceros ha limitado la capacidad de almacenamiento. Sin embargo, investigadores de la Facultad Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME), en Estados Unidos, han desarrollado una técnica que permite fabricar unos y ceros a partir de defectos en cristales, cada uno del tamaño de un solo átomo. Este avance tiene aplicaciones revolucionarias para la memoria informática clásica.
Su investigación, publicada en la revista Nanophotonics, abre nuevas posibilidades en el almacenamiento de datos.
“Cada celda de memoria es un único átomo ausente, un solo defecto en la estructura del cristal.Gracias a esta tecnología, podemos empaquetar terabytes de información en un pequeño cubo de material de apenas un milímetro de tamaño.”
Este avance ejemplifica la colaboración entre diferentes disciplinas, ya que aplica principios de la física cuántica para mejorar la computación clásica y transforma conocimientos sobre dosímetros de radiación —dispositivos que miden la exposición a radiación en hospitales y laboratorios— en innovadores métodos de almacenamiento de memoria microelectrónica, podemos leer en una nota de la UChicago PME.
«Hemos logrado combinar la física del estado sólido aplicada a la dosimetría de la radiación con un enfoque propio de la investigación cuántica, aunque nuestro trabajo no es estrictamente cuántico —señala Leonardo França, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhong y primer autor del estudio. Y añade—: Existe una gran demanda de investigación en sistemas cuánticos, pero también hay una necesidad urgente de mejorar la capacidad de almacenamiento en memorias clásicas no volátiles. Nuestro trabajo se sitúa en la interfaz entre el almacenamiento óptico y cuántico de datos".
Recordemos que las memorias clásicas no volátiles son dispositivos de almacenamiento que retienen datos incluso cuando se apaga la fuente de energía. Ejemplos comunes incluyen discos duros (HDD), unidades de estado sólido (SSD) y memorias flash, como las de los USB y tarjetas SD.
Técnicas ópticas para manipular y leer la información almacenada
El proyecto se originó durante el doctorado de França en la Universidad de São Paulo (Brasil), donde estudiaba los dosímetros de radiación. Estos dispositivos miden y registran la cantidad de radiación ionizante a la que una persona o un objeto ha sido expuesto. Se usan comúnmente en hospitales, laboratorios, aceleradores de partículas, plantas niucleares y otras instalaciones para monitorizar la seguridad de trabajadores expuestos a rayos X, rayos gamma u otras formas de radiación.
«En hospitales y en laboratorios de aceleradores de partículas es esencial monitorear la dosis de radiación a la que están expuestas las persona —explica França—. Algunos materiales pueden absorber esta radiación y almacenar esa información durante un tiempo».
Su fascinación creció al descubrir que mediante técnicas ópticas, esto es, iluminando el material con luz, podía manipular y leer la información almacenada.
Inspiración en principios cuánticos
«Cuando el cristal absorbe suficiente energía, libera electrones y huecos. Estas cargas quedan atrapadas en los defectos del material —explica França—. Podemos liberar estos electrones y leer la información mediante medios ópticos».
França percibió entonces el potencial de esta tecnología para el almacenamiento de memoria y llevó su trabajo al laboratorio cuántico de Zhong, logrando una innovación interdisciplinaria que aplica técnicas cuánticas a la construcción de memorias clásicas.
«Estamos creando un nuevo tipo de dispositivo microelectrónico, una tecnología inspirada en principios cuánticos», explica Zhong.
Para desarrollar su técnica de almacenamiento, el equipo incorporó iones de tierras raras, un grupo de elementos conocidos como lantánidos, en un cristal. En particular, utilizaron praseodimio y un cristal de óxido de itrio, aunque el proceso podría aplicarse a diversos materiales debido a la versatilidad de las propiedades ópticas de las hoy tan codiciadas tierras raras. Sus propiedades únicas las hacen fundamentales para tecnologías avanzadas como baterías, imanes para vehículos eléctricos, turbinas eólicas, dispositivos electrónicos, láseres y sistemas de comunicación.
Leonardo França (en la foto), es uno de los investigadores que han explorado una técnica para almacenar la memoria a partir de defectos de cristal. Cortesía: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Zhong Lab
Activado por un láser ultravioleta
«Las tierras raras poseen transiciones electrónicas específicas que permiten seleccionar longitudes de onda precisas para la excitación láser, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano», señala França.
A diferencia de los dosímetros, que suelen activarse mediante rayos X o gamma, este sistema de almacenamiento se activa con un simple láser ultravioleta. El láser excita los lantánidos, que a su vez liberan electrones. Estos electrones quedan atrapados en defectos del cristal de óxido, como vacantes individuales donde debería haber un átomo de oxígeno.
«Es imposible encontrar cristales, tanto en la naturaleza como en materiales sintéticos, que no tengan defectos —indica França. Nosotros simplemente estamos aprovechando estas imperfecciones».
Si bien los defectos cristalinos suelen emplearse en la investigación cuántica —por ejemplo, en la creación de cúbits en materiales como diamantes y espinelas [un mineral del grupo de los óxidos]—, el equipo de UChicago PME encontró una aplicación diferente. Lograron controlar qué defectos almacenaban carga y cuáles no. Al asignar un espacio cargado como uno y un espacio vacío como cero, convirtieron el cristal en un dispositivo de almacenamiento de memoria con una densidad sin precedentes en la computación clásica.
«En ese pequeño cubo de milímetros, demostramos que podemos almacenar al menos mil millones de unidades de memoria clásica, cada una basada en átomos individuales», concluye Zhong. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Chicago
Fuente: França, Leonardo V. S., Doshi, Shaan, Zhang, Haitao and Zhong, Tian. All-optical control of charge-trapping defects in rare-earth doped oxides. Nanophotonics (2025). DOI: https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0635
