Forscher der University of Southampton haben eine schnelle Laserschreibmethode entwickelt und energieeffizient um hochdichte Nanostrukturen in Quarzglas zu erzeugen. Diese winzigen Strukturen kann zur optischen Datenspeicherung verwendet werden langfristige fünfdimensionale (5D), mehr als 10.000-mal dichter als die optische Blue-Ray-Speichertechnologie.
Diese Art der Datenspeicherung verwendet drei Schichten nanoskalige Punkte auf einer Glasscheibe. Die Größe, Orientierung und Position (in drei Dimensionen) der Punkte ergeben die fünf "Dimensionen", die zur Kodierung der Daten verwendet werden.
Laut den Ermittlern, eine 5D-Disk könnte nach 13.8 Milliarden Jahren noch lesbar sein, aber es wäre überraschend, wenn zu diesem Zeitpunkt noch jemand in der Nähe wäre, um es zu lesen. Kurzfristig könnten optische 5D-Medien auch nach einer Erwärmung auf 1.000 Grad Celsius überleben.
Die Technik entwickelt von Doktorand Yuhao Lei verwendet einen Femtosekundenlaser hohe Wiederholungsrate. Der Prozess beginnt mit einem Seeding-Puls, der ein Nanovakuum erzeugt, aber der schnelle Puls muss nicht wirklich Daten schreiben. Die wiederholten schwachen Pulse nutzen ein Phänomen, das als Nahfeldverstärkung bekannt ist, um Nanostrukturen glatter zu formen. Die Forscher werteten Laserpulse mit unterschiedlichen Leistungsstufen aus und fanden eine Stufe, die das Schreiben beschleunigt, ohne die Quarzglasscheibe zu beschädigen.
Studie berichtet von einer maximalen Datenrate von einer Million Voxel pro Sekunde, aber jedes Bit erfordert mehrere Voxel in optischen 5D-Systemen. Dies entspricht einer Datenrate von ca. 230 Kilobyte pro Sekunde. An dieser Stelle ist es möglich, eine der Festplatten zu füllen, deren Kapazität auf 500 TB geschätzt wird. Das Schreiben einer so großen Datenmenge würde etwa zwei Monate dauern, danach könnten sie nicht mehr geändert werden.
„Einzelpersonen und Organisationen generieren immer größere Datensätze, wodurch ein dringender Bedarf an effizienteren Formen der Datenspeicherung mit hoher Kapazität, geringem Stromverbrauch und langer Lebensdauer entsteht“, sagte der Forscher Yuhao Lei von der University of Southampton, Großbritannien. "Während Cloud-basierte Systeme eher für temporäre Daten ausgelegt sind, glauben wir, dass die 5D-Datenspeicherung in Glas für die längerfristige Datenspeicherung für Nationalarchive, Museen, Bibliotheken oder private Organisationen nützlich sein könnte."
Obwohl in der Vergangenheit die optische 5D-Datenspeicherung auf transparenten Materialien demonstriert wurde, es hat sich gezeigt, dass es ist schwierig, Daten schnell genug und mit ausreichender Dichte für reale Anwendungen zu schreiben. Um diese Hürde zu überwinden, verwendeten die Forscher einen Femtosekundenlaser mit hoher Wiederholrate, um winzige Wells zu erzeugen, die eine einzigartige nanolamellaartige Struktur von jeweils nur 500 x 50 Nanometern enthalten.
Anstatt mit dem Femtosekundenlaser direkt auf das Glas zu schreiben, nutzten die Forscher das Licht, um ein optisches Phänomen namens Nahfeldverstärkung zu erzeugen, bei dem durch wenige schwache Pulse eine nanolamellaartige Struktur erzeugt wird. Nanovakuum, das durch eine einzelne Pulsmikroexplosion erzeugt wird. Die Verwendung von Nahfeldverstärkung zur Herstellung der Nanostrukturen hat thermische Schäden minimiert, die bei anderen Ansätzen mit sich wiederholenden Hochfrequenzlasern problematisch waren.
Da Nanostrukturen anisotrop sind, erzeugen sie eine Doppelbrechung, die durch die Orientierung der langsamen Lichtachse (4. Dimension, entsprechend der Orientierung der Nanolaminatstruktur) und der Verzögerungskraft (5. Dimension, definiert durch die Nanostrukturgröße) charakterisiert werden kann. Wenn Daten auf Glas aufgezeichnet werden, können die Ausrichtung der langsamen Achse und die Verzögerungsstärke durch Polarisation bzw. Lichtintensität gesteuert werden.
„Dieser neue Ansatz verbessert die Geschwindigkeit beim Schreiben von Daten auf ein praktisches Niveau, sodass wir in einer angemessenen Zeit Dutzende von Gigabyte an Daten schreiben können“, sagte Lei. Hoch lokalisierte Präzisions-Nanostrukturen ermöglichen eine größere Datenkapazität, da mehr Voxel in einem Einheitsvolumen geschrieben werden können. Außerdem reduziert die Verwendung von gepulstem Licht die zum Schreiben erforderliche Energie. «
Mit ihrer neuen Methode schrieben die Forscher 5 Gigabyte Textdaten auf eine Glasscheibe. Kieselsäure in der Größe einer herkömmlichen CD, mit einer Ablesegenauigkeit von fast 100 %. Jedes Voxel enthielt vier Informationsbits, und beide Voxel stimmten mit einem Textzeichen überein. Mit der Schreibdichte, die das Verfahren bietet, könnte die Platte 500 Terabyte an Daten aufnehmen. Mit Systemupdates, die paralleles Schreiben ermöglichen, soll es laut den Forschern möglich sein, diese Datenmenge in etwa 60 Tagen zu schreiben.
Mit dem aktuellen System haben wir die Möglichkeit, Terabytes an Daten zu speichern, die verwendet werden könnten, zum Beispiel, um die DNA-Informationen einer Person zu bewahren, die jetzt daran arbeitet, die Schreibgeschwindigkeit ihrer Methode zu erhöhen und die Technologie außerhalb des Labors nutzbar zu machen. Auch für praktische Data-Warehousing-Anwendungen müssen schnellere Methoden zum Auslesen von Daten entwickelt werden.
Quelle: https://www.osapublishing.org/