Các nhà khoa học đã phát minh ra phương pháp lưu trữ và đọc dữ liệu từ các nguyên tử riêng lẻ, được nhúng trong những tinh thể nhỏ chỉ vài milimét kích thước (1 mm tương đương với 0,04 inch). Nếu công nghệ này được mở rộng, trong tương lai, nó có thể dẫn đến các hệ thống lưu trữ siêu mật độ, có thể chứa hàng petabyte dữ liệu trên một đĩa duy nhất — 1 petabyte tương đương với khoảng 5.000 bộ phim 4K.
Mã hóa dữ liệu dưới dạng 1 và 0 đã tồn tại từ những ngày đầu của lịch sử máy tính, chỉ khác biệt ở phương tiện lưu trữ — từ các ống chân không nhấp nháy, các transistor điện tử nhỏ, cho đến đĩa CD với các lỗ hổng đại diện cho số 1 và bề mặt mịn màng đại diện cho số 0.
Hiện nay, các nhà khoa học đang tìm kiếm phương pháp lưu trữ dữ liệu với mật độ cao hơn, dẫn họ đến việc khám phá thế giới siêu nhỏ. Trong một nghiên cứu mới công bố vào ngày 14 tháng 2 trên tạp chí Nanophotonics, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một electron bị mắc kẹt trong khuyết tật của tinh thể để biểu thị số 1, trong khi sự thiếu vắng của electron đó đại diện cho số 0. Công trình này được lấy cảm hứng từ các kỹ thuật lượng tử. Cụ thể, họ kết hợp vật lý rắn ứng dụng trong đo liều bức xạ với nhóm nghiên cứu mạnh về lưu trữ lượng tử — mặc dù công trình này chủ yếu xây dựng bộ nhớ máy tính cổ điển.
Công nghệ hoạt động bằng cách chiếu một chùm laser có năng lượng cụ thể để kích thích một electron. Lúc này, thiết bị đọc có thể ghi nhận sự hiện diện của ánh sáng, nếu không có ánh sáng tức là không có electron bị mắc kẹt.
Phương pháp này chỉ có thể áp dụng khi các tinh thể có khuyết tật, chẳng hạn như sự vắng mặt của oxy hoặc tạp chất ngoại lai. "Những khuyết tật này có những đặc tính rất tuyệt vời," Leonardo França, tác giả chính của nghiên cứu và nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ về vật lý tại Đại học Chicago, cho biết. "Một trong những đặc tính đó là khả năng lưu trữ điện tích." Nhận thức được điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các ion đất hiếm làm tạp chất — các tạp chất thêm vào vật liệu để thay đổi tính chất của nó. Điều quan trọng là phát triển phương pháp kích thích electron từ ion đất hiếm cụ thể để electron bị mắc kẹt. Nếu bạn hình dung như đĩa CD, đây sẽ tương đương với việc tạo ra một hố.
"Chúng tôi phải cung cấp đủ năng lượng để giải phóng electron từ ion đất hiếm và khuyết tật gần đó sẽ cảm nhận điều đó," França nói. "Vậy là bạn bắt electron bằng một trường điện nội tại. Đây là quá trình ghi dữ liệu."
Tiếp theo là quá trình đọc dữ liệu. "Cơ bản là bạn phải dùng một nguồn sáng khác để giải phóng electron khỏi khuyết tật," França giải thích. "Điều đó dẫn đến sự tái kết hợp của các điện tích và phát ra ánh sáng."
Xây dựng hệ thống lưu trữ dữ liệu của tương lai
Nếu quá trình này hoạt động chính xác như vậy, dữ liệu sẽ bị xóa mỗi khi được đọc, nhưng việc sử dụng lượng ánh sáng thấp hơn sẽ chỉ "xóa một phần thông tin," theo lời của França. Do đó, dữ liệu sẽ mờ dần theo thời gian, tương tự như cách dữ liệu trên băng từ từ phai mờ sau 10 đến 30 năm.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng nguyên tố đất hiếm praseodymium và tinh thể oxit yttrium, nhưng công nghệ này cũng có thể áp dụng cho các tinh thể không phải đất hiếm với các chất không phải là chất doping khác. Tuy nhiên, nguyên tố đất hiếm có ưu điểm đặc biệt là cung cấp các bước sóng cụ thể, cho phép kích thích electron bằng laser tiêu chuẩn.
Ban đầu, mục tiêu của các nhà nghiên cứu là tiếp cận các nguyên tử riêng lẻ. Mặc dù họ chưa đạt được mục tiêu này, nhưng França tin rằng kỹ thuật mà nhóm nghiên cứu tiên phong đã đưa họ đến gần hơn với mục tiêu.
Động lực nghiên cứu tiếp theo xuất phát từ khả năng mở rộng tuyệt vời của công nghệ này, có thể mở ra một tương lai với các hệ thống lưu trữ mật độ cao và chi phí thấp, phục vụ cho các ứng dụng đa dạng, theo França chia sẻ.
Tin vui là, công nghệ quang học và laser đã được hiểu rõ và có chi phí thấp. Tinh thể này cũng có thể được sản xuất với chi phí không cao khi sản xuất quy mô lớn. Những điều còn lại cần giải quyết là chi phí thu thập nguyên tố đất hiếm và phát triển các phương pháp sản xuất hàng loạt để tạo ra các khuyết tật trong tinh thể. Nếu vượt qua được những thách thức này, tinh thể có thể được chế tạo thành đĩa và dễ dàng đọc bởi các thiết bị giá rẻ. Câu hỏi cuối cùng là làm thế nào để lưu trữ dữ liệu dày đặc trên một đĩa có kích thước nhỏ.
"Với tinh thể của chúng tôi, có khoảng 40mm³ (0,002 inch khối), chúng tôi có thể lưu trữ vài trăm terabyte dữ liệu," França nói với Live Science. Sau khi thực hiện các phép tính, ông ước tính con số này vào khoảng 260 TB.
Dù con số này chỉ áp dụng cho tinh thể mà các nhà khoa học đã nghiên cứu, nhưng França nhận thấy một tương lai nơi việc tăng mật độ khuyết tật trong tinh thể sẽ dễ dàng hơn. Điều này sẽ mở ra khả năng lưu trữ hàng petabyte dữ liệu trên một thiết bị có kích thước tương đương với một đĩa.
Tim Danton là biên tập viên tại LiveScience. Bài viết được đăng trên LiveSciene ngày 12/03/2025.
Live Science là một trong những trang web khoa học phổ thông lớn nhất và đáng tin cậy nhất hiện nay, chuyên đưa tin về những phát hiện mới nhất, nghiên cứu đột phá và những bước tiến thú vị có ảnh hưởng đến bạn và thế giới rộng lớn hơn.
Biên dịch: Hà Linh
