Prvi svjetlosni memorijski čipovi za trajnu pohranu

Svi znamo da današnja elektronika radi na izuzetno velikim brzinama, no kada bi se elektroni u čipovima zamijenili fotonima, postala bi nešto poput kornjače u usporedbi s Ferrarijem. Ekipa njemačkih i britanskih znanstvenika sa Sveučilišta Karlsruhe i Oxford, uspjela je napraviti prvu trajnu optičku memoriju na čipu, što je veliki korak ka tom smjeru.

Interes znanstvene zajednice za takozvanim fotoničkim čipovima traje već desetljećima, a nije teško zaključiti zašto. Kad se elektroni kreću kroz osnovne komponente računalnog čipa,  odnosno logičke sklopove koji manipuliraju podacima, memorijske sklopove koji ih pohranjuju, te metalne žice koje ih prenose, oni udaraju jedan u drugi, usporavaju se, te generiraju toplinu koju se mora nekako odvesti prema van. No to se ne događa u slučaju fotona koji putuju zajedno bez ikakvog otpora i to dakako brzinom svjetlosti.

Znanstvenici su do sada već proizvodili čipove u kojima su optičke linije zamijenile metalne žice, kao i sklopove optičke memorije, no takvi čipovi su imali brojne nedostatke, pa su recimo mogli pohranjivati podatke samo kada su imali stalni izvor struje. Kada bi struje nestalo, nestali bi i podaci.

Njemački i britanski znanstvenici su pronašli rješenje za to korištenjem materijala koji se nalazi u srcu svakog CD-a i DVD-a za višekratno snimanje podataka.

Konkretno se radi o materijalu pod nazivopm GST, koji se sastoji od tankog sloja slitine germanija, antimona i telurija. Kada se GST obasja intenzivnim pulsom laserske svjetlosti, on promijeni svoju atomsku strukturu iz savršene kristalne rešetke u amorfnu. Te dvije strukture reflektiraju svjetlo na različite načine, a CD-i i DVD-i koriste te različitosti za pohranu podataka. Kako bi čitao podatke, pohranjene u obliku uzoraka sitnih točkica poslaganih po kristalnom ili amorfnom redu, vaš CD ili DVD pogon isijava lasersku zraku niskog intenziteta na disk, te prati način na koji se svjetlo odbija od njega.

Znanstvenici Oxforda i Karlsruhea su primijetili da na GST ne utječe samo to koliko se svijetla reflektira na sloju, već i koliko se svijetla apsorbira. Kada se ispod filma GST-a doda prozirni materijal, točkice kristalne strukture apsorbiraju više svjetla nago točke amorfne strukture,

Nakon toga su željeli otkriti mogu li to svojstvo iskoristiti za trajnu pohranu podataka na čip, koji bi se kasnije mogli čitati. Kako bi im to pošlo za rukom, opremili su čip uređajem od silicijevog nitrida pod nazivom valovod koji sadrži i kanalizira pulsove svjetlosti. Nakon toga su postavili patch GST-a nanoveličine na vrh tog valovoda.

Kako bi zapisivali podatke na taj sloj, znanstvenici su ispalili intenzivan puls svjetlosti u valovod. Visoki intenzitet elektromagnetskog polja je rastopio GST, pretvarajući njegovu kristalnu strukturu u amorfnu.

Nakon toga, drugi znantno manje intenzivan puls uzrokuje da se materijal vrati u svoju originalnu kristalnu strukturu.  Kada su znanstvenici poželjeli čitati podatke, ispaljivali su manje intenzivne pulsove svjetla i mjerili koliko se svjetla emitira prema valovodu.

Ako je apsorbirano manje svjetla, to znači da je podatkovna točka GST-a amorfne strukture, a ako je apsorbirano više, to znači da je kristalna.

Pored toga, znanstvenici su dramatično povećali količinu podataka koja se može zapisivati i čitati, pa su istovremeno slali višestruke valne dužine svjetla kroz valovod, što im je omogućilo istovremeno čitanje i zapisivanje višestrukih bitova, što nije moguće postići uređajima za pohranu podataka temeljenim na elektronici.

Promjenama intenziteta pulsova za zapisivanje podataka, ujedno su bili u mogućnosti kontrolirati koliki se dio svakog GST patcha u bilo kojem trenutku pretvara u kristalnu ili amorfnu strukturu. Zahvaljujući toj metodi, uspjeli su postići da jedan patch sadrži 90% amorfne i 10% kristalne strukture, dok drugi može sadržavati 80% amorfne i 20% kristalne. To omogućuje da se podaci pohranjuju u devet različitih kombinacija, ne samo u binarnim jedinicama i nulama, za što se koriste 100% amorfne ili 100% kristalne točke, pa ovo dramatično "boosta" količinu podataka koju može pohraniti svaka točka.

Znanstvenici navode kako je pred fotonskom memorijom još dug put prije nego što postane konkurencija elektronskoj, jer se mora povećati gustoća zapisa, no ukoliko se razvije napredna fotonska tehnologija koja se može integrirati u fotonske logičke sklopove, potencijal je takav da bi fotonski čipovi mogli raditi od 50 do 100 puta brže u odnosu na današnje najbrže računalne procesore.         

Izvor: Nature