計算能力とメモリ容量の需要が増大し続ける中、私たちは差し迫った情報のボトルネックに直面しています。次元から機能スケーリングの時代に移行するにつれて、情報の保存と処理のための新しいプラットフォームを設計することが重要です。
私たちは全光固体メモリの新しいパラダイムを提案します。 DVD や Blu-ray デバイスなどの従来の光メモリでは、単一ビットを保存できる容量は光の回折限界によって制限されます。私たちは、固体内の点欠陥の高密度集合体を情報記憶媒体として利用することで、この問題を克服することを構想しています。1 具体的には、酸化物内の希土類 (RE) イオン不純物を記憶媒体として考えています。
RE は、部分的に充填された光学活性な 4f 電子を含む元素です。これらの 4f 電子は、外側に満たされた電子によって環境から保護されているため、RE イオンはノイズに対して堅牢になり、デバイス レベルの実装に適しています。
一般的なドーピング濃度では、μm3 体積の材料に 1,000 万個の RE イオンが含まれる可能性があります。各 RE イオンは、ホストの結晶場の局所的な変動によりわずかに異なる発光エネルギーと吸収エネルギーを示し、狭帯域波長可変レーザーを使用して各イオンに個別に対応できるため、DNA に匹敵する最大 1018/cc のビット密度が得られる可能性があります。ストレージ。このような密度は、現在入手可能な最も密度の高いメモリである 3D フラッシュ メモリの 1,000 倍よりも高いです。
ビットの保存は、RE イオンからの光励起をホスト結晶内の近くの欠陥、たとえば酸素欠損や置換サイトに伝達することによって実現できます。このような転移プロセスは非放射共鳴エネルギー転移 (NRET) によって発生する可能性があり、励起をメモリ ビットとして機能する長寿命励起状態にトラップする手段を提供します。これらの励起状態は、REイオンのエネルギーや分極シフトの光学測定など、REに対するエネルギー移動プロセスの影響を調べることによって読み出すことができます（図1を参照）。
上記のメモリの設計は、固体内の欠陥間の NRET プロセスを定性的および定量的に理解するために、第一原理の理論的および計算的枠組みを使用して考案されました。 「第一原理」とは、実験データを当てはめる必要がなく、材料内の原子の位置を知り、量子力学に根ざした理論を採用するだけで結果が得られることを意味します。
従来、ソースと吸収体間の近接場エネルギー伝達プロセスは、2 準位系間の双極子遷移によってモデル化されてきました。ただし、材料内の欠陥はさらに複雑です。量子力学的には、欠陥の基底状態と励起状態は、ソースと吸収体のすべての電子のスピン自由度を含む多くの電子の波動関数によって記述されます。しかし、固体におけるNRETプロセスの詳細な量子力学的処理はこれまでのところ不足している。
このギャップに対処するために、私たちは非相対論的量子電気力学 (QED) と密度汎関数理論 (DFT) に基づく第一原理電子構造計算を同じ基盤で統合したフレームワークを開発しました。私たちは、多くの電子の軌道運動とスピン自由度を同時に含む形で光と物質の相互作用を記述します。これにより、欠陥状態の多体の性質を説明できるようになり、スピン反転プロセスとスピン保存プロセスの速度を個別に推定できるようになります。
ニアフィールドでのスピンフリップ遷移
私たちは理論的枠組みを使用して、F センター (吸収体) としても知られる中性酸素空孔を持つ酸化マグネシウム (MgO) 固体と注入された RE イオン (ソース) という例示的なシステムを研究します。 MgO は核スピンノイズが低いため、スピン欠陥の優れたホスト材料と考えられており、F センターは一般的でよく理解されている点欠陥です。 F センターの基底状態には、一重項配置で MgO のバンドギャップ内に存在する軌道を占める 2 つの電子があります。つまり、合計スピンはゼロです。電子の 1 つが欠陥軌道から励起されると励起状態が形成され、その結果一重項励起状態 (スピン 0) または三重項励起状態 (スピン 1) が生じます。
欠陥（酸素欠損や F 中心など）から遠く離れた光源などの遠視野光子源を基底から F 中心の励起状態への遷移に使用する場合、励起状態への遷移のみが行われます。一重項励起状態は許容されます。しかし、光子源が F 中心に近い近接場にある場合、一重項基底状態から三重項励起状態への遷移が許容されるだけでなく、一重項から一重項への遷移よりも強力になることさえあります。このような一重項から三重項への遷移には、遠方場では禁止されている電子のスピンの反転が含まれます (図 2 を参照)。これは、この三重項励起状態が潜在的に長生きし、記憶ビットとして使用できることを意味します。
#近接場エネルギー転送が超高密度固体光メモリへの道を提供