A three-color, solid-state, volumetric display based on two-step, two-frequency upconversion in rare earth-doped heavy metal fluoride glass is described. The device uses infrared laser beams that intersect inside a transparent volume of active optical material to address red, green, and blue voxels by sequential two-step resonant absorption. Three-dimensional wire-frame images, surface areas, and solids are drawn by scanning the point of intersection of the lasers around inside of the material. The prototype device is driven with laser diodes, uses conventional focusing optics and mechanical scanners, and is bright enough to be seen in ambient room lighting conditions. QuickTime movie of the three-dimensional display.

We present an overview of our research effort on volume holographic digital data storage. Innovations, developments, and new insights gained in the design and operation of working storage platforms, novel optical components and techniques, data coding and signal processing algorithms, systems tradeoffs, materials testing and tradeoffs, and photon-gated storage materials are summarized.

High-porosity porous silicon, after electrochemical oxidation, is a stable and highly reproducible luminescent material with a luminescence quantum efficiency as high as 3% at room temperature. Luminescence decay rates as long as several hundreds of microseconds show that radiative and nonradiative processes both have low efficiencies even at room temperature. This shows that confinement of carriers inside nanometer-sized crystallites does not have a noticeable effect on indirect-band-gap selection rules but restricts strongly the different processes for nonradiative deexcitation. An analysis of the dependence of the nonradiative-decay rates on carrier confinement in terms of the tunneling of carriers through silicon oxide barriers surrounding the confined zone accounts well for our experimental results with an average barrier thickness of 5 nm. This tunneling model is also used to explain successfully the increase in quantum efficiency with the increase of the level of oxidation.

The spin polarization of current injected into GaAs from a CoFe/MgO(100) tunnel injector is inferred from the electroluminescence polarization from GaAs/AlGaAs quantum well detectors. The polarization reaches 57% at 100 K and 47% at 290 K in a 5 T perpendicular magnetic field. Taking into account the field dependence of the luminescence polarization, the spin injection efficiency is at least 52% at 100 K, and 32% at 290 K. We find a nonmonotonic temperature dependence of the polarization which can be attributed to spin relaxation in the quantum well detectors.

Maximizing atomic magnetic memory A study of the magnetic response of cobalt atoms adsorbed on oxide surfaces may lead to much denser storage of data. In hard drives, data are stored as magnetic bits; the magnetic field pointing up or down corresponds to storing a zero or a one. The smallest bit possible would be a single atom, but the magnetism of a single atom —its spin—has to be stabilized by interactions with heavy elements or surfaces through an effect called spin-orbit coupling. Rau et al. (see the Perspective by Khajetoorians and Wiebe) built a model system in pursuit of single-atom bits—cobalt atoms adsorbed on magnesium oxide. At temperatures approaching absolute zero, the stabilization of the spin's magnetic direction reached the maximum that is theoretically possible. Science , this issue p. 988 ; see also p. 976

We have investigated the possibility of obtaining good approximate analytical expressions for the zero field splittings of cubic terms belonging to the t23 configuration. Spin—orbit, and trigonal and tetragonal field perturbations are considered, and a perturbation expansion based on a strong cubic field zeroth-order Hamiltonian is used. Only in the case of 4A2 and a2E terms does the expansion converge sufficiently rapidly for a single order of perturbation theory to provide a useful approximation for octahedral Cr3+ or tetrahedral Co2+ complexes. In the case of trigonal symmetry, we investigate the range of validity of the perturbation expressions, by comparison with exact numerical solutions of the crystal-field eigenvalue problem for the complete d3 configuration.

Using a perturbation expansion based on a strong cubic-field zeroth-order approximation, we have obtained analytical expressions for the $g$ values of the ${{t}_{2}}^{3}$, $^{4}A_{2}$, and $^{2}F$ terms for ${d}^{3}$ impurity ions in trigonal crystal fields. We have compared these expressions whth the results of a numerical calculation in which the magnetic dipole operator was transformed to the basis of eigenvectors of the zero-field Hamiltonian computed within the complete ${d}^{3}$ configuration, and we find them to be a very good approximation. This is not true of the published $g$-value expressions which are currently available. Absolute magnetic dipole absorption cross sections and nonlinear $g$ values are also calculated. This the first time such a detailed calculation of these quantities has been made for transition-ion impurity systems. For levels derived from cubic terms other than ${{t}_{2}}^{3}$, $^{4}A_{2}$, and $^{2}E$, the analytical-perturbation techniques are not satisfactory and numerical methods must be used. We present an analysis of the $g$ values of the nominally ${{t}_{2}}^{3}$ terms, $^{4}A_{2}$, $^{2}E$, $^{2}T_{1}$, and $^{2}T_{2}$, for emerald, ruby, Zn${\mathrm{Al}}_{2}$${\mathrm{O}}_{4}$: ${\mathrm{Cr}}^{3+}$, MgO: ${\mathrm{Cr}}^{3+}$, and ZnO: ${\mathrm{Co}}^{2+}$, and of magnetic dipole absorption cross sections for centrosymmetric Zn${\mathrm{Al}}_{2}$${\mathrm{O}}_{4}$: ${\mathrm{Cr}}^{3+}$ and MgO: ${\mathrm{Cr}}^{3+}$. These systems were chosen because there are quite extensive experimental data available on them. The model parameters were determined from the zero-field energy levels, and very good agreement with experiment was obtained in our calculation of the $g$ values and absorption strengths. This provides confidence in the validity of the crystal-field model to predict the magnetic properties of at least the ${{t}_{2}}^{3}$ levels, which couple weakly to phonons.

Lanthanide atoms show long magnetic lifetimes because of their strongly localized 4f electrons, but electrical control of their spins has been difficult because of their closed valence shell configurations. We achieved electron spin resonance of individual lanthanide atoms using a scanning tunneling microscope to probe the atoms bound to a protective insulating film. The atoms on this surface formed a singly charged cation state having an unpaired 6s electron, enabling tunnel current to access their 4f electrons. Europium spectra display a rich array of transitions among the 54 combined electron and nuclear spin states. In contrast, samarium's ground state is a Kramers doublet with a very large g-factor of 5. These results demonstrate that all-electronic sensing and control of individual lanthanide spins is possible for quantum devices and spin-based electronics by using their rarely observed monovalent cation state.