Sub-diffractie optisch schrijven maakt gegevensopslag op nanoschaal mogelijk

De totale hoeveelheid gegevens die wereldwijd wordt gegenereerd, zal naar verwachting in 2025 175 zettabytes (1 ZB is gelijk aan 1 miljard terabytes) bedragen. Als 175 ZB op Blu-ray-schijven zou worden opgeslagen, zou de stapel 23 keer de afstand tot de maan zijn. Er is een dringende behoefte om opslagtechnologieën te ontwikkelen die deze enorme hoeveelheid gegevens kunnen verwerken.

De vraag om steeds grotere hoeveelheden informatie op te slaan heeft geleid tot de wijdverbreide implementatie van datacenters voor Big Data. Deze centra verbruiken enorme hoeveelheden energie (ongeveer 3% van de wereldwijde elektriciteitsvoorziening) en vertrouwen op op magnetisatie gebaseerde harde schijven met een beperkte opslagcapaciteit (tot 2 TB per schijf) en een levensduur (drie tot vijf jaar). Lasergestuurde optische gegevensopslag is een veelbelovend en kosteneffectief alternatief om aan deze ongekende vraag te voldoen. De diffractieve aard van licht heeft echter de grootte beperkt tot welke bits kunnen worden geschaald, en als gevolg daarvan de opslagcapaciteit van optische schijven.

Onderzoekers van USST, RMIT en NUS hebben deze beperking nu overwonnen door aardrijke met lanthanide gedoteerde upconversion-nanodeeltjes en grafeenoxidevlokken te gebruiken. Dit unieke materiaalplatform maakt optisch schrijven van informatiebits op nanoschaal met laag vermogen mogelijk.

Een sterk verbeterde datadichtheid kan worden bereikt bij een geschatte opslagcapaciteit van 700 TB op een optische schijf van 12 cm, vergelijkbaar met een opslagcapaciteit van 28.000 Blu-ray-schijven. Bovendien maakt de technologie gebruik van goedkope continue golflasers, waardoor de bedrijfskosten worden verlaagd in vergelijking met traditionele optische schrijftechnieken met dure en omvangrijke gepulseerde lasers.

Deze technologie biedt ook het potentieel voor optische lithografie van nanostructuren in op koolstof gebaseerde chips die in ontwikkeling zijn voor nanofotonische apparaten van de volgende generatie.

De gevolgen

De optische gegevensopslag is de afgelopen decennia opmerkelijk vooruitgegaan, maar de opslagcapaciteit van de optische schijf is nog steeds beperkt tot enkele terabytes.

De nieuwe optische schrijftechnologie met sub-diffractie kan een optische schijf produceren met de grootste opslagcapaciteit van alle beschikbare optische apparaten. Hoewel er vooruitgang nodig is om de technologie te optimaliseren, openen de resultaten nieuwe wegen om de wereldwijde uitdaging van gegevensopslag aan te pakken. De technologie is geschikt voor de massaproductie van optische schijven en zou een goedkopere en duurzamere oplossing kunnen bieden voor de volgende generatie optische gegevensopslag met hoge capaciteit en de energie-efficiënte nanofabricage van flexibele op grafeen gebaseerde elektronica.

Hoe het werkt

De technologie maakt gebruik van een nieuw nanocomposietmateriaal dat grafeenoxidevlokken combineert met upconversie-nanodeeltjes.

Grafeenoxide kan worden gezien als een enkele laag grafiet met verschillende zuurstofgroepen. Door grafeenoxide te verminderen door deze zuurstofgroepen te elimineren, ontstaat een materiaal dat gereduceerd grafeenoxide wordt genoemd en dat vergelijkbare eigenschappen heeft als grafeen.

Sub-diffractie-informatiebits zijn in het nanocomposiet geschreven met behulp van upconversion-nanodeeltjes om grafeenoxide lokaal te verminderen na kunstmatige verlichting. De reductie van grafeenoxide werd geïnduceerd door hoogenergetische quanta die werden gegenereerd in de geëxciteerde opconversie-nanodeeltjes door een proces van resonantie-energieoverdracht.

De onderzoekers kozen voor upconversion-nanodeeltjes omdat ze efficiënt optisch schrijven met sub-diffractie mogelijk maken met een lage laserstraalintensiteit, wat resulteert in een laag energieverbruik en een lange levensduur van optische apparaten.