Investigadores de Chicago desarrollan sistema de almacenamiento de datos que usa defectos cristalinos del tamaño de un átomo para guardar Terabytes en un cristal de un milímetro

La nueva tecnología podría disminuir el espacio físico y el gasto energético de los centros de datos, ayudando a reducir la huella de carbono.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (UChicago PME) han desarrollado una innovadora tecnología que podría transformar el futuro del almacenamiento de datos y la eficiencia energética en dispositivos microelectrónicos. Inspirados en principios cuánticos, han logrado almacenar información clásica en defectos cristalinos del tamaño de un átomo, creando memorias de alta densidad capaces de guardar terabytes de información en un cubo de cristal de tan solo un milímetro.

Un cambio de paradigma en la memoria clásica

Desde los telares operados por tarjetas perforadas en el siglo XIX hasta los modernos teléfonos móviles, la información siempre se ha almacenado mediante estados binarios: encendido y apagado, uno y cero. En los discos compactos, por ejemplo, un uno es una pequeña hendidura y un cero es la ausencia de ella. Sin embargo, el tamaño de estos elementos físicos ha representado tradicionalmente un límite en la capacidad de almacenamiento.

Ahora, los investigadores de UChicago PME han logrado superar esta barrera utilizando defectos cristalinos como celdas de memoria. Cada celda es, literalmente, la ausencia de un solo átomo en la estructura del cristal. Esta innovación permite empaquetar terabytes de bits en un pequeño cubo de cristal de un milímetro.

De la dosimetría por radiación al almacenamiento óptico

Este avance tiene sus raíces en la investigación de dosimetría por radiación, que mide la cantidad de radiación a la que están expuestos los trabajadores en hospitales y aceleradores de partículas. Los dosímetros almacenan esta información al absorber energía radiactiva, que posteriormente puede leerse mediante técnicas ópticas.

Leonardo França, investigador postdoctoral en el laboratorio del profesor Tian Zhong, vio el potencial para aplicar estos conocimientos al almacenamiento de datos. Unió fuerzas con Zhong y su equipo, especializados en técnicas cuánticas, para crear un nuevo tipo de dispositivo microelectrónico inspirado en la física cuántica, pero aplicado a memorias clásicas.

El papel clave de las tierras raras

El equipo logró esta tecnología mediante la incorporación de iones de elementos de tierras raras, conocidos también como lantánidos, en un cristal de óxido de itrio. En particular, emplearon el elemento praseodimio. Los lantánidos son valorados por sus propiedades ópticas versátiles, que permiten controlar las transiciones electrónicas mediante láseres de diversas longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano.

En este dispositivo, un láser ultravioleta activa los iones de tierras raras, que liberan electrones. Estos electrones son atrapados por defectos en la red cristalina, como huecos donde debería haber un átomo de oxígeno. Al manipular la carga de estos defectos, se representan los unos y ceros binarios.

Eficiencia y sostenibilidad en el almacenamiento de datos

El impacto de este desarrollo trasciende el ámbito de la microelectrónica, ya que podría contribuir significativamente a la sostenibilidad y a la reducción del consumo energético en el sector tecnológico. Los centros de datos consumen aproximadamente el 1% de la energía mundial, y esta cifra sigue en aumento debido a la creciente demanda de almacenamiento. Las memorias basadas en defectos cristalinos podrían reducir drásticamente el espacio físico y la energía necesaria para guardar grandes volúmenes de información, favoreciendo una mayor eficiencia energética y disminuyendo la huella de carbono.

Además, el uso de materiales como el óxido de itrio y los lantánidos permite una mayor durabilidad y estabilidad en comparación con las tecnologías tradicionales de almacenamiento magnético o de semiconductores. Esto podría prolongar la vida útil de los dispositivos y reducir los desechos electrónicos, otro aspecto clave para la sostenibilidad ambiental.

Proyecciones futuras y aplicación en energías renovables

Si bien esta tecnología se encuentra en sus primeras fases de investigación, sus posibles aplicaciones son vastas. Podría revolucionar la industria de los sistemas de información en redes inteligentes (smart grids), donde la gestión eficiente de grandes volúmenes de datos es crucial para optimizar el rendimiento de fuentes renovables como la energía solar y eólica. Los sistemas de almacenamiento de energía podrían beneficiarse de esta capacidad mejorada, ya que los datos operativos podrían registrarse y recuperarse con rapidez y con un consumo mínimo de energía.

Este tipo de almacenamiento ultradenso también podría integrarse en sensores ambientales autónomos, que requieren memorias duraderas y de bajo consumo para funcionar en zonas remotas, donde se monitorean factores como la calidad del aire, los niveles de radiación solar o la variabilidad del viento.

La investigación liderada por la UChicago PME marca un hito en la convergencia entre la física cuántica, la microelectrónica y la sostenibilidad. Al aprovechar defectos atómicos en cristales y materiales de tierras raras, se abre la puerta a dispositivos de almacenamiento de datos más eficientes, compactos y duraderos. Estos avances podrían reducir el impacto ambiental de los centros de datos y contribuir al desarrollo de tecnologías renovables más inteligentes, consolidando el vínculo entre innovación tecnológica y sostenibilidad ambiental.

Vía uchicago.edu

La investigación «All-optical control of charge-trapping defects in rare-earth doped oxides» fue publicada en published today in Nanophotonics.