طور باحثون في جامعة ساوثهامبتون طريقة سريعة للكتابة بالليزر وكفاءة في استخدام الطاقة لإنتاج بنى نانوية عالية الكثافة في زجاج السيليكا. هذه الهياكل الصغيرة يمكن استخدامها لتخزين البيانات الضوئية طويل المدى خماسي الأبعاد (5D) ، أكثر كثافة بـ 10.000 مرة من تقنية تخزين الأقراص الضوئية بلو راي.
يستخدم هذا النوع من تخزين البيانات ثلاث طبقات نقاط نانوية على قرص زجاجي. يعطي الحجم والاتجاه والموضع (في ثلاثة أبعاد) للنقاط "الأبعاد" الخمسة المستخدمة لتشفير البيانات.
ووفقا للمحققين، قد يظل قرص 5D قابلاً للقراءة بعد 13.8 مليار سنة ، ولكن سيكون من المدهش أن يكون هناك شخص ما لا يزال موجودًا لقراءتها في ذلك الوقت. على المدى القصير ، يمكن أيضًا للوسائط الضوئية 5D البقاء على قيد الحياة بعد تسخينها إلى 1.000 درجة مئوية.
هذه التقنية تم تطويره بواسطة باحث الدكتوراه يوهاو لي يستخدم ليزر فيمتوثانية معدل تكرار مرتفع. تبدأ العملية بنبضة بذر تخلق فراغًا نانويًا ، لكن النبض السريع لا يحتاج في الواقع إلى كتابة البيانات. تستغل النبضات الضعيفة المتكررة ظاهرة تُعرف باسم تحسين المجال القريب لنحت الهياكل النانوية بطريقة أكثر سلاسة. قام الباحثون بتقييم نبضات الليزر عند مستويات طاقة مختلفة ووجدوا مستوى يسرع الكتابة دون إتلاف قرص زجاج السيليكا.
تشير الدراسة إلى معدل بيانات أقصى يبلغ مليون فوكسل في الثانية، لكن كل بت تتطلب عدة وحدات فوكسل في أنظمة بصرية خماسية الأبعاد. هذا يعادل معدل بيانات يقارب 230 كيلو بايت في الثانية. في هذه المرحلة ، من الممكن ملء أحد الأقراص ، وتقدر سعته بـ 500 تيرابايت. قد يستغرق الأمر حوالي شهرين لكتابة مثل هذا الكم الهائل من البيانات ، وبعد ذلك لا يمكن تغييره.
قال الباحث Yuhao Lei من جامعة ساوثهامبتون بالمملكة المتحدة: "يقوم الأفراد والمؤسسات بتوليد مجموعات بيانات أكبر من أي وقت مضى ، مما يخلق حاجة ماسة إلى أشكال أكثر كفاءة لتخزين البيانات بسعة عالية واستهلاك منخفض للطاقة وعمر طويل". "بينما تم تصميم الأنظمة المستندة إلى السحابة بشكل أكبر للبيانات المؤقتة ، فإننا نعتقد أن تخزين البيانات خماسية الأبعاد في الزجاج يمكن أن يكون مفيدًا لتخزين البيانات على المدى الطويل للأرشيفات الوطنية أو المتاحف أو المكتبات أو المؤسسات الخاصة."
على الرغم من أن تخزين البيانات الضوئية 5D على مواد شفافة قد تم إثباته في الماضي ، لقد ثبت أن من الصعب كتابة البيانات بسرعة كافية وبكثافة كافية لتطبيقات العالم الحقيقي. للتغلب على هذه العقبة ، استخدم الباحثون ليزر فيمتوثانية بمعدل تكرار عالٍ لإنشاء آبار صغيرة تحتوي على بنية فريدة تشبه النانولاميلا بقياس 500 × 50 نانومتر لكل منها.
بدلاً من استخدام ليزر الفيمتو ثانية للكتابة مباشرة على الزجاج ، قام الباحثون بتسخير الضوء لإنتاج ظاهرة بصرية تُعرف باسم تعزيز المجال القريب ، حيث يتم إنشاء بنية تشبه النانولاميلا بواسطة بضع نبضات ضعيفة. فراغ نانو ناتج عن انفجار مايكرو نبضة واحدة. أدى استخدام تحسين المجال القريب لتصنيع الهياكل النانوية إلى تقليل الضرر الحراري الذي كان يمثل مشكلة بالنسبة للنُهج الأخرى التي تستخدم الليزر المتكرر عالي التردد.
نظرًا لأن البنى النانوية متباينة الخواص ، فإنها تنتج انكسارًا يمكن وصفه بتوجيه المحور البطيء للضوء (البعد الرابع ، المقابل لاتجاه بنية نانولامينيت) وقوة التأخير (البعد الخامس ، المحدد بواسطة حجم البنية النانوية). عندما يتم تسجيل البيانات على الزجاج ، يمكن التحكم في اتجاه المحور البطيء وقوة التأخير عن طريق الاستقطاب وشدة الضوء ، على التوالي.
قال لي "هذا النهج الجديد يحسن سرعة كتابة البيانات إلى مستوى عملي ، حتى نتمكن من كتابة عشرات الجيجابايت من البيانات في فترة زمنية معقولة". تسمح الهياكل النانوية عالية الدقة المحلية بسعة بيانات أكبر ، حيث يمكن كتابة المزيد من وحدات البكسل في وحدة تخزين. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام الضوء النبضي يقلل من الطاقة المطلوبة للكتابة. «
استخدم الباحثون طريقتهم الجديدة لكتابة 5 غيغابايت من البيانات النصية على قرص زجاجي. السيليكا بحجم قرص مضغوط تقليدي ، مع دقة قراءة تقارب 100٪. احتوى كل فوكسل على أربعة أجزاء من المعلومات ، وكلا الفوكسل يتطابق مع حرف واحد من النص. مع كثافة الكتابة التي توفرها الطريقة ، يمكن أن يحتوي القرص على 500 تيرابايت من البيانات. مع تحديثات النظام التي تسمح بالكتابة المتوازية ، يقول الباحثون إنه من الممكن كتابة هذا القدر من البيانات في حوالي 60 يومًا.
مع النظام الحالي لدينا القدرة على حفظ تيرابايت من البيانات التي يمكن استخدامها ، على سبيل المثال ، للحفاظ على معلومات الحمض النووي للشخص الذي يعمل الآن على زيادة سرعة الكتابة لطريقته وجعل التكنولوجيا قابلة للاستخدام خارج المختبر. سيكون من الضروري أيضًا تطوير طرق أسرع لقراءة البيانات لتطبيقات تخزين البيانات العملية.
مصدر: https://www.osapublishing.org/