隨著網路、社群媒體和雲端運算的發展，全球每天產生的數據量正在激增。這就需要有新的技術來提供更高的儲存密度，並結合安全的長期資料存檔，這遠遠超出了傳統資料儲存設備的能力。德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）領導的一個國際研究小組現在提出了一種基於碳化矽（一種半導體材料）原子級缺陷的長期數據存儲新概念。

透過聚焦離子束將訊息寫入光學活性原子缺陷（左圖），並利用陰極發光或光致發光（右圖）讀取資訊。資料來源：M. Hollenbach, H. Schultheiß

研究小組在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）雜誌上報告說，這些缺陷是由聚焦離子束產生的，具有空間分辨率高、寫入速度快、存儲單個比特能量低等特點。

根據最新估計，每天產生的新數據約為3.3 億TB，僅在過去兩年中就產生了全球90% 的數據。如果說單純的數字已經顯示需要先進的資料儲存技術，那麼這絕不是與此發展相關的唯一問題。目前儲存媒體的儲存時間有限，需要在幾年內進行資料遷移，以避免資料遺失。 HZDR 離子束物理與材料研究所的Georgy Astakhov 博士說：”除了陷入永久資料遷移程序之外，這還大大增加了能源消耗，因為在此過程中會消耗大量能源。”

為了緩解這場迫在眉睫的危機，Astakhov 的團隊現在引入了一種基於碳化矽原子級缺陷的長期資料儲存新概念。這些缺陷是由聚焦的質子或氦離子束造成，並利用與缺陷相關的發光機制進行讀取。

傳統儲存設備如何受物理學限制

目前，磁性記憶體是追求大容量的資料儲存解決方案的首選，但物理定律為可實現的儲存密度設定了限制。要提高儲存密度，就必須縮小磁性顆粒的尺寸。但這樣一來，材料中的熱波動和擴散過程就變得越來越重要，對儲存時間的影響也越來越大。調整材料的磁性可能會抑制這種影響，但這是有代價的：儲存資訊的能量更高。同樣，光學設備的性能也受到物理定律的限制。由於所謂的繞射極限，最小記錄位的大小受到限制：它不能小於光波長的一半，這就設定了最大儲存容量的極限。出路在於多維光學記錄。

碳化矽具有原子尺度的缺陷，尤其是晶格部位沒有矽原子。這些缺陷是由聚焦的質子或氦離子束產生的，具有空間分辨率高、寫入速度快、儲存單一位元的能量低等特徵。光學介質固有的儲存密度衍射限制同樣適用於此的情況。研究人員透過4D 編碼方案克服了這項限制。在這裡，透過控制橫向位置和深度以及缺陷數量，實現了三個空間維度和額外的第四個強度維度。然後，他們透過光激發引發的光致發光來讀取儲存的資料。此外，透過聚焦電子束激發可觀察到陰極發光，從而大大提高了儲存密度。

世代儲存資料如何實現

根據介質保存的環境條件，儲存的資訊可能會再次從缺陷中消失，但考慮到他們的材料，科學家們等到了一個好消息。 Astakhov說：「這些缺陷的失活與溫度有關，這表明​​在環境條件下，這些缺陷的保留時間最短可達幾代。還有更多。利用近紅外線雷射激發、現代編碼技術和多層數據存儲（即在多達十層碳化矽層上相互堆疊），研究小組達到了與藍光光碟相當的面積存儲密度。在數據讀出時，改用電子束激發而不是光學激發，這種方式所能達到的極限相當於目前報道的原型磁帶的記錄面積儲存密度，但儲存時間較短，能耗更高。”

編譯自: ScitechDaily