So brennen Sie eine Drei-Terabyte-CD

Da Gigabyte an Filmen, Bildern, Audio und Text immer mehr CDs und DVDs füllen, besteht eindeutig Bedarf an besseren Möglichkeiten, mehr Daten zu speichern. Ein Forschungsteam der Harvard University hat eine Technik entwickelt, die dazu beitragen könnte, die Kapazität herkömmlicher optischer Datenträger deutlich zu steigern. Sie haben eine Nanoantenne hergestellt, die direkt auf einem kostengünstigen Standardlaser aufgebaut ist und das Licht auf eine viel kleinere Punktgröße fokussiert, als dies selbst mit den besten herkömmlichen Objektiven möglich ist, wodurch möglicherweise mehr Bits auf ein optisches geschrieben werden können Rabatt.

Eine Computersimulation der optischen Nanoantenne, die Harvard-Forscher hergestellt haben. Die Antenne besteht aus zwei goldbeschichteten Nanostäben, die durch einen 30-Nanometer-Spalt getrennt sind und kann das Licht eines kommerziellen Lasers auf einen nur 40 Nanometer breiten Fleck fokussieren. Es könnte verwendet werden, um Terabytes statt Gigabytes an Daten auf eine CD oder DVD zu schreiben. (Bildnachweis: Ertugrul Cubukcu)

Die Speicherkapazität einer Disc nimmt zu, wenn die Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben von Daten verwendet wird, abnimmt; CDs werden mit Licht mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern beschrieben und gelesen, DVDs mit 650 Nanometern und HD-DVDs und Blu-ray-Discs mit 405 Nanometern. Wellenlängen unter 405 Nanometern würden viel zu teure Lichtquellen für die Unterhaltungselektronik erfordern.



Das Problem ist, dass herkömmliche Linsen Licht nur auf die Hälfte ihrer Wellenlänge fokussieren können, eine physikalische Barriere, die als Beugungsgrenze bezeichnet wird. Die Harvard-Forscher haben diese Grenze jedoch umgangen, indem sie die traditionelle Optik zugunsten nanooptischer Techniken aufgegeben haben. Wir können die Wellenlängenbegrenzung umgehen, indem wir eine Antenne verwenden, sagt Ken Crozier , Assistenzprofessor für Elektrotechnik in Harvard.

Das Team von Crozier, Federico Capasso , Professor für angewandte Physik an der Universität, und die Doktoranden Eric Kort und Ertugrul Cubukcu entwickelten die optische Antenne, um das Licht eines kommerziellen Lasers (mit einer Wellenlänge von 830 Nanometern) auf eine Punktgröße von 40 Nanometern zu fokussieren. Mit dieser Auflösung könnten Sie mehr als drei Terabyte [ca. 3.000 Gigabyte] Daten auf etwas von der Größe einer CD packen, schätzt Crozier. Das reicht für mehr als 300 abendfüllende Filme. Zum Vergleich: Eine Dual-Layer-HD-DVD oder Blu-ray-Disc kann 30 bzw. 50 Gigabyte fassen.

Die Antenne besteht laut Crozier aus zwei goldbeschichteten Nanostäben, die durch einen 30 Nanometer breiten Spalt getrennt sind. Wenn das Licht des Lasers auf die Nanostäbe trifft, übt es eine Kraft auf die Elektronen im Gold aus und schiebt sie aus ihrer Position. Die Elektronen bleiben jedoch nicht lange verschoben und werden in ihre ursprüngliche Position zurückgezogen. Aber sie schießen darüber hinaus, sagt Crozier, und prallen zurück, schwingen wie eine Masse auf einer Feder.

Diese oszillierenden Elektronen beeinflussen die winzige Lücke zwischen den Nanostäben. Wenn Sie einen Schnappschuss der Antenne machen, sagt Crozier, würden Sie sehen, dass sich auf einer Seite der Lücke positive Ladungen und auf der anderen negative Ladungen sammeln. Die Nanostäbe und die Lücke fungieren als winziger Kondensator – mit entgegengesetzten Ladungen auf gegenüberliegenden Seiten der Lücke –, der die Energie des Laserlichts effektiv auf einen Fleck von der Größe der Lücke konzentriert. Dieser Fleck behält seine Größe bis etwa 10 Nanometer von der Antenne entfernt, bevor er sich ausbreitet.

Obwohl der Abstand von 10 Nanometern winzig ist, könnten Forscher mit dieser Technologie einen neuen Typ von optischen Lese- und Schreibköpfen bauen, schlägt Crozier vor. Die Magnetspeicherindustrie, betont er, arbeite mit einem ähnlich kleinen Abstand zwischen Kopf und Medium.

Die Verwendung von Nanoantennen zur Fokussierung von optischem Licht ist keine völlig neue Idee, sagt Crozier, aber ihre Arbeit, veröffentlicht in Angewandte Physik Briefe , ist das erste Mal, dass eine Antenne direkt auf einem Laser integriert wurde. Dies bietet einen Produktionsvorteil, da Lichtquelle und Antenne in einem Paket sind. Es ist extrem kompakt und einfacher zu bedienen, da die Ausrichtung mit dem Laser und der Antenne bereits in der Fertigung erfolgt, sagt er.

Es gibt viele Forschungsaktivitäten, um die Lichtfleckgröße zu reduzieren, aber es ist besonders attraktiv für die Datenspeicherindustrie, sagt Bae-Ian Wu, Forscher am Research Laboratory of Electronics am MIT. Die Verwendung einer Nanoantenne ist nur eine Möglichkeit, eine Superauflösung zu erreichen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist. Aber, sagt er, die Arbeit der Harvard-Forscher sei insofern sehr gut, als sie optische Experimente durchführen, um ihre Theorie zu untermauern, während einige Arbeiten nur im Bereich der Theorie sind. Die Harvard-Wissenschaftler, fügt er hinzu, haben es einfach getan.

Crozier sagt, dass sein Team Fertigungstechniken erforscht, die die Spotgröße weiter auf 20 Nanometer reduzieren können. Sie erforschen auch Alternativen zum Goldmetall, das derzeit ihre Nanostäbe beschichtet. Silber könnte beispielsweise Licht bei den von der Unterhaltungselektronikindustrie verwendeten Wellenlängen effizienter fokussieren als Gold.

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