Золотые нанопроводки втиснули терабайт на один диск

Можно ли считать, что в этом случае информация хранится в пятимерном пространстве? Не совсем. Но если технология будет доведена до ума (и коммерческого продукта, естественно), вместительность DVD-дисков действительно увеличится в тысячи раз. Однако обо всём по порядку.
В прошлом месяце американская компания General Electric рапортовала о том, что её специалисты разработали голографические диски, которые могут вмещать до сотни стандартных DVD.
Между тем уже существуют двухслойные диски Blu-ray, эквивалентные десяти DVD.
Но команда материаловедов из австралийского университета Суинбёрна (Swinburne University of Technology in Melbourne) получила ещё более впечатляющие результаты.
Учёные нанесли на полимер (поливиниловый спирт) золотые наностерженьки. При этом все они получились направленными в разные стороны.

Слева показана система считывания изображение с диска. Сам диск состоит из трёх слоёв полимера, в который внедрили золотые наностержни.
Между несущими информацию слоями находится прозрачное реагирующее на давление связующее вещество (толщиной 10 микрометров).
Вся конструкция располагается на стеклянной подложке.
Посередине: смешанное изображение, полученное с помощью неполяризованного света с широким диапазоном длин волн.
Справа: информация проявляется без перемешивания только в случае правильно подобранных параметров считывания:
длины волны λ и направления поляризация (указаны двунаправленными стрелками) (иллюстрация Nature).

Десять таких слоёв наночастиц обеспечили плотность записи 140 гигабайт на кубический сантиметр. Итого – 1,6 терабайта данных на одном DVD-диске (с возможностью увеличения до 7 терабайт, если удастся уменьшить расстояния между слоями).
И всё-таки австралийские изобретатели называют новый материал не иначе как "пятимерный". Почему?
Напомним, что уже ставшие традиционные DVD и CD могут хранить данные на своей поверхности в двух измерениях. У голографических дисков в распоряжении имеется и третья составляющая. Третьим измерением также условно можно считать многослойность создаваемых ныне носителей (без значительного увеличения их толщины).
Золотые наночастицы добавили новому прототипу диска будущего ещё "два измерения": по цветовому спектру и поляризации.

Слева схематически показано, что лазер воздействует лишь на определённые наночастицы (с особым соотношением сторон и ориентацией), изменяя их форму.
Справа: микрофотографии золотых наностержней, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM).
Сверху – до облучения лазером, снизу – после. Стрелками показаны наночастицы, которые "откликнулись" на воздействие лазера.
Масштабные линейки соответствуют 100 нанометрам (иллюстрации и фото Nature).

Дело в том, что форма наночастицы (точнее, соотношение сторон) определяет, как она будет реагировать на свет. То есть растопить и превратить в каплю более тонкий и длинный наностержень сможет, к примеру, только свет зелёного цвета, а более короткий, но широкий "бочонок" поддастся синему излучению.
Эти изменения формы приводят к тому, что в дальнейшем записанный "бит" будет по-разному реагировать и на считывающее излучение.
Получается, что на одном и том же участке диска могут быть записаны данные на различных длинах волн (точнее, на разных составляющих общего массива наночастиц).
В то же время современные CD, DVD и Blu-Ray записываются лазерным лучом только одной длины волны.
"Пятое измерение" – это поляризация света. Здесь работает другое явление: на излучение с определённой линейной поляризацией реагируют только те наночастицы, которые ориентированы параллельно направлению колебания волны (так как в таком случае поглощается наибольшее количество энергии).
Поляризацию можно изменять в пределах 360 градусов, соответственно, появляется дополнительное "пространство".

Спектры экстинкции растворов наночастиц (отдельно для каждой группы с определённым соотношением сторон).
На врезках показаны фотографии наностержней, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM).
Соотношение сторон первых составляет примерно 2, вторых – 4,2, третьих – 6,25.
Масштабные линейки соответствуют 50 нанометрам (иллюстрация и фото Nature).

"Мы можем записать информацию при "нулевой" поляризации, а затем – с помощью волн, поляризация которых находится под прямым углом к первой. При этом волны (как и данные) не будут интерферировать, то есть не смогут смешиваться между собой", — говорит в пресс-релизе университета один из авторов работы Джеймс Чон (James Chon).

Изображения, записанные с помощью трёх различных направлений поляризации
(такой подход также позволит увеличить вместимость одного диска до 7 терабайт).
Длина волны одна – 840 нанометров. Сторона "рисунка" составляет 100 микрометров или 75 пикселей (фото Nature)

.


Все эти способы записи (по разным параметрам) использовались ранее, но всегда по отдельности. А австралийским учёным впервые удалось собрать их все воедино на одном носителе.
"Мы установили, что объём записанной информации можно увеличить во много раз, не увеличивая физические размеры диска", — добавляет Минь Гу (Min Gu), ведущий исследователь и директор Центра микрофотоники (Centre for Micro-Photonics).

Всего три длины волны (цвета) и два направления поляризации,
на одном и том же участке диска можно поместить 18 разных изображений.
Все рисунки расположились в три слоя (расстояние между ними соответствует толщине связующего вещества).

Однако при всех очевидных достоинствах метода есть и проблемы, которые учёным ещё предстоит решить.
Например, низкая скорость записи и считывания данных (общая трудность всех высокоплотных массивов информации).
В своей статье, опубликованной на днях в журнале Nature, авторы утверждают, что на данной разработке вполне возможно достигнуть скорости в один гигабит в секунду. Можно достигнуть, но получится ли?
Для чтения информации учёные использовали высокоинтенсивный, но при этом низкоэнергетический фемтосекундный лазер, который не способен расплавить наностержни. Сканирование таким лучом позволяет считать нужную информацию, не задев при этом уже записанную. Кроме того, для многослойных дисков очень важно преодолеть помехи, которые могут создавать внешние слои при чтении внутренних.
Но фемтосекундный лазер достаточно дорогой и громоздкий, его будет очень сложно внедрить в коммерческий привод. "В решение этой проблемы мы полагаемся на наших коллег физиков", — комментирует Чон.
Австралийские материаловеды также отмечают, что пока информацию на диски можно будет только записать – стереть или перезаписать её невозможно. Что, правда, не отменяет возможности использования новых дисков в крупных архивах (медицинских, банковских и других). К тому же полученная информация будет храниться долго (сколько именно, пока не уточняется).

Растровое изображение одного из образцов данных, полученное с помощью лазера с длиной волны 840 нанометров
и вертикальной поляризацией (такие же параметры использовались при записи). На врезке: сильно увеличенная
фотография участка со стороной 7 микрометров.
Справа показаны изображения, полученные на других длинах волн (двунаправленными стрелками также отмечены
направления поляризации). Видно, что, не зная нужных параметров, невозможно восстановить начальную картинку.
Это означает, что новинку можно использовать для зашифровки информации. Масштабные линейки – 20 микрометров (иллюстрация Nature).

Также пока ничего не известно о времени доступа к записанной информации и цене будущих дисков (хоть золото в них и в микроскопических количествах, но всё же это драгоценный металл).
Основными конкурентами "золотых" носителей на данный момент являются другие высокоплотные разработки. Это и усовершенствованные голографические диски (последний прототип от InPhase Technologies способен хранить 43,5 гигабайта в кубическом сантиметре), и чипы флэш-памяти, и магнитные накопительные устройства.
Но несмотря на все возможные трудности по внедрению технологии в массовое производство, австралийцы уже подписали соглашение с корейской Samsung, а также ведут переговоры с китайской компанией Shenzhen Sunland Technology о возможности создания патента на перспективную разработку.