随着互联网、社交媒体和云计算的发展，全球每天产生的数据量猛增。这就需要新技术来提供更高的存储密度，并结合安全的长期数据归档，远远超出传统数据存储设备的能力。

由 HZDR 领导的一个国际研究小组现在提出了一种基于碳化硅(一种半导体材料)原子级缺陷的长期数据存储的新概念。这些缺陷是由聚焦离子束产生的，提供高空间分辨率、快速写入速度和存储单个位的低能量。该研究发表在《先进功能材料》杂志上。

最新估计假设每天创建约 3.3 亿 TB 的新数据，其中 90% 的世界数据仅在过去两年内生成。如果单纯的数字已经表明需要先进的数据存储技术，那么这绝不是与这一发展相关的唯一问题。

“目前存储介质的存储时间有限，需要在几年内进行数据迁移，以避免数据丢失。除了陷入永久的数据迁移过程之外，这还大大增加了能源消耗，因为这个过程中消耗了大量的能源， “HZDR 离子束物理与材料研究所的 Georgy Astakhov 博士说道。

为了缓解这场迫在眉睫的危机，阿斯塔霍夫的团队现在引入了一种基于碳化硅原子级缺陷的长期数据存储的新概念。这些缺陷是由质子或氦离子的聚焦光束造成的，并使用与缺陷相关的发光机制来读取。

传统存储设备受物理限制

目前，当涉及大容量数据存储解决方案时，磁存储器是首选，而物理定律对可实现的存储密度设定了限制。为了增加它们，磁性颗粒的尺寸必须缩小。但随后，材料中的热波动和扩散过程变得越来越重要，对存储时间的影响不断恶化。

调整材料的磁性可能会抑制这种效应，但这需要付出代价：存储信息的能量更高。同样，光学器件的性能也受到物理定律的阻碍。由于所谓的衍射极限，最小记录位的大小受到限制：它不能得到任何小于光波长一半的数据，从而限制了最大存储容量。出路是多维光记录。

碳化硅具有原子级缺陷，特别是晶格位置不存在硅原子。这些缺陷是由聚焦质子或氦离子束产生的，提供高空间分辨率、快速写入速度和存储单个位的低能量。 “光学介质固有的存储密度的衍射极限也适用于我们的情况。我们通过 4D 编码方案克服了它。

“在这里，三个空间维度和附加的第四个强度维度是通过控制横向位置和深度以及缺陷数量来实现的。然后我们通过光激发引起的光致发光来光学读出存储的数据。

“此外，使用聚焦电子束激发引起可观察到的阴极发光，可以显着提高面存储密度，”阿斯塔霍夫说。

世代储存数据

根据保存介质的环境条件，存储的信息可能会再次消除缺陷，但考虑到他们的材料，科学家们得到了好消息。 “这些缺陷的温度依赖性失活表明在环境条件下几代的保留时间最短，”阿斯塔霍夫说。

还有更多。通过近红外激光激发、现代编码技术和多层数据存储(即最多 10 个碳化硅层相互堆叠)，该团队达到了与蓝光光盘相当的面存储密度。

切换到电子束激励而不是光学激励来读出数据，以这种方式可实现的极限对应于当前报告的原型磁带的记录面积存储密度，然而，其具有更短的存储时间和更高的能量消耗。

在这项工作中，罗森多夫的科学家与维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学(德国)、加州理工学院喷气推进实验室(美国)、国家量子科学技术研究所(日本)和东北大学(日本)的研究人员合作。该团队的概念方法不仅限于碳化硅，还可以扩展到具有光学活性缺陷的其他材料，包括二维材料。