钻石也能用来存储信息?

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想象一下,一位年轻人在拿出钻戒求婚的时候对心上人说:“这可不是一颗普通的钻石,里面储存了我们相恋以来所有的合影”,你是否觉得这近乎天方夜谭?恐怕没有人想到钻石能够作为信息存储的介质,但一项新的研究表明,这确实是可能的。

钻石,也就是金刚石中通常含有少量的氮元素杂质,这会导致它的晶体结构中出现一种名为“氮-空位中心”的缺陷。这种缺陷可以带负电荷(记为NV-),也可以呈现电中性(记为NV0)。用绿光照射金刚石可以导致这两种缺陷之间互相转化,但用红光照射时,由于光子能量较低,只能将NV-转化为NV0,但不能将后者转化为前者。

来自纽约城市大学的研究人员正是巧妙利用了这一特点。他们首先用强的绿光光束照射金刚石的某个截面,使得这一截面中的NV0 缺陷全部转化为NV-。接下来他们用强的红光光束选择性照射截面上的某些区域,使得NV-缺陷又被转化为NV0缺陷,相当于在金刚石中写入信息。在黑暗的条件下,写入金刚石中的信息可以较长时间稳定保存。最后他们用弱的红光光束扫描这一截面,由于光束较弱,在扫描过程中新转化为NV0 的NV- 缺陷可以忽略不计,而之前形成的NV- 则会发出荧光,这样,通过记录荧光强度,之前存储的信息就可以被读取出来。不仅如此,由于荧光的强度与该区域中NV-的浓度相关,因此通过控制写入信息时红光的强度就可以在同一区域存储多种不同的信息。

研究人员接下来展示了如何将金刚石中的信息存储从二维扩展到三维。研究人员首先将光束聚焦在金刚石的一个截面A写入信息,接下来改将光束聚焦在其上方另一个截面B写入信息。这个时候,光束虽然也会照射到截面A,但只要两个截面的垂直间距足够大,当光束聚焦在截面B时,照射到截面A上的光束强度很弱,因此之前写入这个截面的信息不会有明显的变化。研究人员还证明,虽然目前的信息存储密度受制于光的干涉,突破这一限制获得更高的存储密度是有可能的。

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利用金刚石存储信息:图A:信息写入(图2)、擦除(图3)和再写入(图4)的过程;图B:信息的三维存储

这项研究清晰地表明了利用钻石存储信息的可行性,不过相关研究仍然处在初级阶段,要想真正取代现有的存储媒介实现应用,恐怕仍然有很长的路要走。

(文/魏昕宇)

报道:http://phys.org/news/2016-10-defects-diamond-unique-platform-optical.html

论文:http://advances.sciencemag.org/content/2/10/e1600911.full.pdf+html