Les informations sont écrites dans des défauts atomiques optiquement actifs par un faisceau d'ions focalisé (à gauche) et lues par cathodoluminescence ou photoluminescence (à droite). Crédit : M. Hollenbach, H. Schultheiß
L'équipe présente une nouvelle voie vers le stockage de données à long terme basé sur des défauts à l'échelle atomique.
Avec le développement d’Internet, des médias sociaux et du cloud computing, la quantité de données créées quotidiennement dans le monde monte en flèche. Cela nécessite de nouvelles technologies capables de fournir des densités de stockage plus élevées combinées à un archivage sécurisé des données à long terme bien au-delà des capacités des dispositifs de stockage de données traditionnels. Une équipe de recherche internationale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresde-Rossendorf (HZDR) propose désormais un nouveau concept de stockage de données à long terme basé sur les défauts à l'échelle atomique du carbure de silicium, un matériau semi-conducteur. Ces défauts sont créés par un faisceau d'ions focalisé, offrant une résolution spatiale élevée, une vitesse d'écriture rapide et une faible énergie pour stocker un seul bit, comme le rapporte l'équipe dans le journal. Matériaux fonctionnels avancés.
Les dernières estimations supposent qu'environ 330 millions de téraoctets de nouvelles données sont créées chaque jour, dont 90 % des données mondiales ont été générées au cours des deux dernières années seulement. Si les chiffres suggèrent déjà la nécessité de technologies avancées de stockage de données, ce n’est en aucun cas le seul problème associé à ce développement. « La durée de stockage limitée des supports de stockage actuels nécessite une migration des données d'ici plusieurs années pour éviter toute perte de données. En plus d'être piégé dans des procédures de migration perpétuelle de données, cela augmente considérablement la consommation d'énergie, car une quantité importante d'énergie est consommée dans le processus », explique le Dr Georgy Astakhov de l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux de l'HZDR.
Pour atténuer cette crise imminente, l'équipe d'Astakhov introduit désormais un nouveau concept de stockage de données à long terme basé sur les défauts à l'échelle atomique du carbure de silicium. Ces défauts sont provoqués par un faisceau focalisé de protons ou d'ions hélium et lus à l'aide de mécanismes de luminescence associés aux défauts.
Les périphériques de stockage traditionnels limités par la physique
Actuellement, la mémoire magnétique est le premier choix lorsqu'il s'agit de solutions de stockage de données visant de grandes capacités, tandis que les lois de la physique fixent les limites des densités de stockage réalisables. Pour les augmenter, la taille des particules magnétiques doit diminuer. Mais ensuite, les fluctuations thermiques et les processus de diffusion dans le matériau gagnent en importance, avec un impact détérioré sur la durée de stockage. L’ajustement des propriétés magnétiques du matériau pourrait supprimer cet effet, mais cela a un prix : une énergie plus élevée pour stocker les informations. De même, les performances des dispositifs optiques sont également contrecarrées par les lois de la physique. En raison de ce que l'on appelle la limite de diffraction, la taille du plus petit bit d'enregistrement est limitée : sa taille ne peut pas être inférieure à la moitié de la longueur d'onde de la lumière, ce qui fixe la limite de la capacité de stockage maximale. La solution est l’enregistrement optique multidimensionnel.
Le carbure de silicone présente des défauts à l'échelle atomique, notamment l'absence d'atomes de silicium dans le site du réseau. Les défauts sont créés par un faisceau focalisé de protons ou d’ions hélium, offrant une résolution spatiale élevée, une vitesse d’écriture rapide et une faible énergie pour stocker un seul bit. « La limite de diffraction de la densité de stockage inhérente aux supports optiques s'applique également dans notre cas. Nous surmontons ce problème grâce aux schémas d'encodage 4D. Ici, les trois dimensions spatiales et une quatrième dimension d'intensité supplémentaire sont réalisées en contrôlant la position latérale et la profondeur ainsi que le nombre de défauts. Ensuite, nous lisons optiquement les données stockées au moyen d'une photoluminescence provoquée par une excitation optique. De plus, la densité surfacique de stockage peut être considérablement améliorée en utilisant une excitation focalisée par faisceau d’électrons provoquant une cathodoluminescence observable », Astakhov met en évidence certaines caractéristiques importantes de sa méthode.
Stocker des données pour des générations
Les informations stockées pourraient à nouveau être éliminées des défauts, en fonction des conditions environnementales dans lesquelles le milieu est conservé, mais les scientifiques ont de bonnes nouvelles concernant leur matériau : « La désactivation de ces défauts en fonction de la température suggère un temps de rétention minimum sur une période quelques générations dans des conditions ambiantes », explique Astakhov. Et il y a bien plus encore. Grâce à l'excitation laser proche infrarouge, aux techniques de codage modernes et au stockage de données multicouche, à savoir l'empilement de jusqu'à dix couches de carbure de silicium les unes sur les autres, l'équipe atteint une densité de stockage surfacique qui correspond à celle des disques Blu-ray. En passant à l'excitation par faisceau d'électrons au lieu de l'excitation optique pour la lecture des données, la limite réalisable de cette manière correspond à une densité de stockage surfacique record actuellement rapportée d'un prototype de bande magnétique, qui a cependant une durée de stockage plus courte et une consommation d'énergie plus élevée. .
Pour ce travail, les scientifiques de Rossendorf ont uni leurs forces avec des chercheurs de l'Université Julius-Maximilian de Würzburg (Allemagne), du Jet Propulsion Laboratory, du California Institute of Technology (États-Unis), des National Institutes for Quantum Science and Technology (Japon) et de l'Université de Tohoku (Japon). . L'approche conceptuelle de l'équipe ne se limite pas au carbure de silicium et peut être étendue à d'autres matériaux présentant des défauts optiquement actifs, notamment les matériaux 2D.
