随着我们的数字世界产生大量的数据——每天超过2万亿字节的新内容——昨天的存储技术很快就达到了极限。光存储设备使用光来读写数据，提供了持久、快速和节能的存储潜力。

　　现在，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员提出了一种新型存储器，其中光学数据从嵌入固体材料中的稀土元素传输到附近的量子缺陷。他们对这种技术如何工作的分析发表在《物理评论研究》上。

　　阿贡国家实验室资深科学家、PME刘氏家族教授朱利亚·加利说:“我们研究出了缺陷之间能量转移背后的基本物理原理，这可能是一种令人难以置信的高效光存储方法的基础。”“这项研究说明了探索第一原理和量子力学理论对阐明新兴技术的重要性。”

　　过去开发的大多数光存储器存储方法，包括cd和dvd，都受到光的衍射极限的限制。单个数据点不能小于写入和读取数据的激光波长。在这项新研究中，研究人员提出通过在材料中嵌入许多稀土发射器来提高光存储的比特密度。通过使用稍微不同波长的光——一种被称为波长复用的方法——他们假设这些发射器可以在同一区域内存储更多的数据。

　　为了证明这种方法的可行性，加利和她的同事们首先研究了高效和密集光存储所需的物理要求。他们创建了一种理论材料的模型，该材料中散布着窄带稀土发射体的原子。这些原子吸收光并以特定的窄波长重新发射光。研究人员展示了这种窄波长的光如何被附近的量子缺陷捕获。

　　这项研究的预测是通过结合第一性原理电子结构理论来绘制缺陷的吸收状态，以及量子力学理论来模拟光在纳米尺度上的传播来获得的。通过开发这种新颖的理论模型，该团队能够更好地理解控制能量如何在发射器和缺陷之间移动的规则，以及缺陷如何存储捕获的能量。

　　阿贡的博士后研究员Swarnabha Chattaraj说:“我们想发展必要的理论来预测发射器和缺陷之间的能量转移是如何工作的。”“这一理论使我们能够找出开发新型光学存储器的设计规则。”

　　虽然科学家们已经很好地了解了固体材料中的量子缺陷通常是如何与光相互作用的，但他们以前没有研究过当光来自一个非常近的光源时，比如嵌入在几纳米之外的窄带稀土发射器，它们的行为是如何变化的。

　　阿贡物理科学与工程理事会高级顾问、PME教授Supratik Guha说:“这种近场能量转移被认为遵循不同于更常见的远场过程的对称规则。”

　　事实上，研究小组发现，当量子缺陷吸收了附近原子的窄能带能量时，它们不仅从基态被激发，而且还翻转了自旋态。这种自旋态转变很难逆转，这表明这些缺陷可以长时间存储数据。此外，由于窄带稀土发射器发射的光波长更小，以及缺陷的微小尺寸，该系统可以提供比其他光学方法更密集的数据存储方法。

　　Chattaraj说:“为了开始将其应用于光存储器的开发，我们仍然需要回答一些额外的基本问题，比如这种激发态持续多长时间，以及我们如何读出数据。”“但了解这种近场能量转移过程是重要的第一步。”