С незапамятных времен человек, обладающий некой информацией, старался ее сохранить. Причиной этого могло быть желание повторно эту информацию использовать или же желание передать ее следующим поколениям. В любом случае для сохранения информации необходим «контейнер», где она будет храниться. Первыми такими носителями информации были скалы, на которых древние люди изображали различные события из своей жизни (охота, быт, наблюдения окружающего мира и т.д.). Сейчас мы далеко вперед шагнули от рисунков на скалах. Оптические диски, HDD, SDD, флеш-память и другие носители стали для нас абсолютно обыденными вещами. Однако, что вы скажете про использование голографических технологий для хранения информации? Этот нестандартный способ не нов, однако лишь недавно ученым удалось решить фундаментальную проблему, которая мешала этой технологии перекочевать из теории в практику. Что это за проблема, как ее решили и стоит ли нам ждать революцию в сфере хранения данных? На эти и другие вопросы мы и попытаемся сегодня ответить. Поехали.

Краткая история HVD

HVD (или Holographic Versatile Disc) это голографический многоцелевой диск. Еще в далеком 1963 году Питер ван Хеерден, ученый из компании Polaroid, предложил метод «объемного хранения» данных. С тех пор множество компаний вели свои разработки в этой сфере.


HVD и DVD

В 2000 году компания Sony анонсировала разработку UDO (Ultra Density Optical — оптические носители с высокой плотностью данных), на котором можно было хранить порядка 30 ГБ. Уже в 2007 году формат был обновлен до UDO2 с объемом хранимой информации до 60 ГБ.

В 2006 году компания New Medium Enterprises представила общественности новый и революционный формат — HD VMD. Спустя 2 года начались первые продажи.


Плеер для VMD от компании New Medium Enterprises

Однако, как мы знаем, голографическими носителями полки магазинов электроники не завалены до сих пор. И на то есть причины, о которых чуть позже.

Принцип технологии VMD

Схематическое изображение слоев диска и воздействия на них лучей лазеров (Источник: en.wikipedia.org):

• 1 — зелёный лазер чтения/записи (532 нм);
• 2 — красный позиционирующий/индексный лазер (650 нм);
• 3 — голограмма (данные);
• 4 — поликарбонатный слой;
• 5 — фотополимерный (photopolimeric) слой с данными;
• 6 — разделяющий слой (Distans layers);
• 7 — слой, отражающий зелёный цвет (Dichroic layer);
• 8 — алюминиевый слой, отражающий красный свет; 9 — прозрачная основа; P — углубления (питы)

Первое, что бросается в глаза, это наличие двух лазеров — зеленого и красного. Запись информации в виде голографического изображение происходит за счет связи этих двух лучей (за счет их когерентности). Зеленый луч — опорный и данных не содержит. Красный луч проходит через оптический модулятор, изменяющий характеристики луча. Когда два луча пересекаются, в зоне интерференции формируется голографическое изображение. В результате мы можем хранить данные в трехмерном виде, а не в двухмерном, как в случае с обычными оптическими носителями.



*Грубый пример: представьте, что есть комната, которую нужно заполнить коробками. Если расставить их по площади пола, то коробок поместится значительно меньше. А если использовать все пространство от пола до потолка, то разместить можно гораздо больше коробок.

Новинка из Китая

Северо-Восточный педагогический университет

Как мы уже поняли, желающих создать свой HVD много. Каждая из компаний, исследующих данную технологию, вносит что-то новое в ее общее развитие. Не захотели стоять в стороне и ученые из Northeast Normal University (Северо-Восточный педагогический университет). Им удалось разработать новый тип пленки, которая будет служить хранилищем голографических изображений (то есть, данных). Такой носитель будет обладать высокой плотностью данных, отличной скоростью чтения/записи и сможет пережить резкие изменения окружающей среды. Помимо этого им удалось также справиться с проблемой недолговечности голографических носителей из-за воздействия ультрафиолета.

Процесс изготовления опытного образца

Основным веществом, используемым в исследованиях, стал октаэдрит — одна из полиморфных модификаций TiO₂ (оксид титана). Стеклянная основа покрывается смесью наночастиц оксид титана (0,4 моль/л) и блок-сополимера PEO20-PP070-PPO20 (20 г/л). Далее основа опускается в смесь воды и этанола (в равных долях), полученной путем золь-гель метода. Скорость удаления составляла 2 см/с, что было необходимо для создания однородной, прозрачной и гладкой пленки оксида титана. Далее для удаления полимеров пленка подвергалась кальценированию при температуре 450 °C в течение 1 часа.

Следующим этапом было погружение нанопористой пленки оксида титана в раствор фосфовольфрамовой кислоты (концентрация — 0,016 моль/л) на 5 часов. Столь продолжительный процесс необходим для того, чтобы молекулы кислоты успешно абсорбировались поверхностью пленки.


Схематическое изображение процесса создания опытного образца нанопористой пленки

Полученную пленку погружали в смесь 0,01 M нитрата серебра (AgNO₃) — 49 мл и этанола — 1 мл. Нанопоры серебра были депонированы на пленку (оксид титана с молекулами фосфовольфрамовой кислоты) во время УФ-облучение при комнатной температуре в течении 20 минут. Последним этапом было промывание пленки в деионизированной воде и облучение УФ в течение 5 минут для уменьшения остаточных ионов Ag+.

Во время облучения ультрафиолетом образец стал коричнево-серым, что обусловлено локализованным поглощением поверхностного плазмонного резонанса депонированных нанопор серебра. Оптические свойства и морфология наноструктур образца были получены с помощью UV-2600 — УФ-спектроскопа и растового электронного микроскопа.

Фотоэлектрохимический эксперимент

Данный эксперимент проводился при комнатной температуре с использованием потенциостата (прибор для автоматического контроля потенциала электрода и поддержки заранее заданной его величины). Для проведения эксперимента была использована стандартная трехэлектродная конфигурация:

• стекло на основе оксида олова — рабочий электрод;
• Ag/AgCl (хлоридсеребряный электрод) — электрод сравнения;
• платиновая чернь — противоэлектрод.

Освещение обеспечивалось ксеноновой лампой Hayashi LA-410 с интенсивностью света в 20 мВт/см². Измерения проводились в электролите 0.5 M Na₂SO₄ (сульфат натрия) с уровнем pH — 5.8.

Процесс голографической записи

Дифракционная решетка регистрировалась с помощью когерентного s-поляризованного лазерного луча (532 нм, 714 мВт/см²). Угол пересечения регистрирующих лучей был установлен на 10 градусов. Плотность мощности пишущих лучей была одинаковой и равнялась 57 мВт/см². Красный лазер, генерирующий 671 нм s-поляризованный свет, использовался для мониторинга динамики голографической решетки. Плотность мощности 671 нм лазера была установлена на 7 мВт/см² для минимизации разрушающего эффекта считывающего излучения, которое приводит к фотохимическим реакциям. Дифрагированный сигнал первого порядка регистрировался на фотодиоде, сопряженном с компьютером. Эффективность дифракции голографических решеток можно определить как отношение интенсивностей дифракционного луча первого порядка и падающего луча после прохождения образца.


Внешний вид системы

Кроме того, один из пишущих лучей был расширен после пространственного фильтра, коллимирован для прохождения через маску и сфокусирован в центре нанокомпозитной пленки Ag/PW₁₂/TiO₂. Другой луч был направлен туда же, куда и опорный. Реконструированные голографические изображения собирались с помощью CMOS видеокамеры. Красный лазер (671 нм) использовался в качестве тестового для считывания голографического изображения.


Упрощенная схема оптической настройки голографической записи, где:

M — mirror — зеркало;
BS — beam splitter — разделитель луча;
F — линза;
BE — beam expande — расширитель луча;
PD — photodiode — фотодиод;
Sample — образец;
Mask — маска.

Результаты тестов

В руках исследователя тот самый образец, что использовался в тестировании

Ниже представлены графики и снимки результатов тестов с описанием. Для более подробного изучения рекомендую ознакомится с докладом исследовательской группы, который вы найдете по ссылке или по этой ссылке (PDF-документ).

Морфология пленки и спектры поглощения ультрафиолетового излучения

Изображение №3

На изображениях (а) и (с) показаны поверхностные и поперечные РЭМ-снимки пленки из оксида титана с молекулами фосфовольфрамовой кислоты (PW₁₂). А на изображениях (b) и (d) пленка из оксида титана без дополнительных составляющих. Толщина каждого из образцов составляет 620 нм. Образец с PW12 показывает значительно меньший показатель распределения нанопор серебра (около 14,7 нм), чем образец без PW₁₂ (около 21,2 нм). Такая разница может быть обусловлена ингибированием агрегации нанопор серебра под воздействием УФ-излучения.

С помощью акцепторов плазмонические нанопоры серебра ( менее 30 нм) занимают примерно 98% объемной доли, что является очень хорошим показателем для достижения высокого уровня эффективности и скорости фотохромизма (e). А более широко распределенные нанопоры серебра (от 4 до 52 нм) были получены при прямом контакте данного металла с пленкой оксида титана (f).

К тому же концентрация нанопор в пленке Ag/PW₁₂/TiO₂ составляет 7,94 A ~ 109 / см², что меньше чем у пленки Ag/TiO₂ (~ 9,42 A ~ 109 / см²).


Изображение №4:
(a) Схема, демонстрирующая уменьшение нанопор серебра на пленках PW₁₂ TiO₂ и TiO₂ за счет воздействия УФ.
(b) Спектроскопия пленки Ag/PW₁₂/TiO₂ и пленки Ag/TiO₂ на стеклянной подложке (основе) в УФ диапазоне.

Помимо прочего, использование PW₁₂ дает дополнительные электронные транспортные каналы в процессах фотокаталитического осаждения и переноса электронов (а). Фотогенерированные электроны из TiO₂ распределены, и часть из них может быть перенесена в PW₁₂ при УФ-возбуждении, что эффективно замедляет осаждение нанопор серебра. Эффект задержки, проверенные в спектрах поглощения УФ, образца Ag/PW₁₂/TiO₂ составил ~0.95, а у образца Ag/TiO2 примерно ~1.38 (b).


Изображение №5:
(a) Линейная развертка вольтамперограмм электронов PW₁₂/TiO₂ и электронов TiO₂ (сканирование со скоростью 10 мВ/с). На вставке (нижний правый угол) показаны результаты теста в темноте.
(b) Процесс перехода электронов в пленке Ag/PW₁₂/TiO₂ при воздействии УФ-излучения.

Модуляция обратимого фотохромизма

Изображение №6: Дифференциальная абсорбция пленок Ag/PW₁₂/TiO₂ (a) и Ag/TiO₂
(b) попеременно облучаемых зеленым светом (532 нм, 57 мВт/см²) и УФ-излучения (360 нм, 71 мВт/см²). Изменения абсорбции Ag/PW₁₂/TiO₂ © и Ag/TiO₂ (d) при поочередном воздействии зеленого и УФ излучений.


Изображение №7: Эффективность дифракции первого порядка голографических решеток в пленке Ag/PW₁₂/TiO₂ (a) и в пленке Ag/TiO₂ (b) при воздействии (s + s) зеленого луча (запись) и УФ-луча (стирание) в течение четырех циклов.

Выводы исследователей

Использование голографических технологий позволяет записывать и считывать миллионы байт одновременно, что в разы быстрее, чем при использовании оптических и магнитных носителей информации. Также важным преимуществом данной технологии является запись данных в трехмерном виде, что позволяет хранить больше данных на носителе, фактический размер которого не увеличивается. Это, своего рода, максимально эффективное использование пространства.

Самой большой проблемой является пагубное влияние УФ-излучения, которое банально стирает данные с носителя. Однако исследователям удалось справиться и с этой трудностью. Именно с этой целью и были использованы такие материалы как серебро и оксид титана. С помощью лазера частицы серебра преобразовывались в катионы серебра с положительным зарядом за счет дополнительных электронов.

Один из исследователей, Шенченг Фу, говорит об этом следующее:

Мы обнаружили, что УФ излучение может стирать данные поскольку оно заставляет электроны переходить от полупроводниковой пленки к металлическим наночастицам, вызывая такое же преобразование фотонов, как и лазер. Внедрение электронов, которые «притягивают» молекулы, привело к тому, что некоторые электроны переходили из полупроводника в эти молекулы, снижая стирающие свойства УФ-излучения и создавая экологически устойчивую среду хранения данных с высокой плотностью.

Важность нанопор заключается в их способности позволять наночастицам, электрон-притягивающим молекулам и полупроводнику взаимодействовать между собой. А невероятно малый размер молекул, что притягивают электроны, позволяет им прикрепляться внутри пор, не влияя на их структуру. Итоговые габариты пленки составили всего-то 620 нанометров в толщину.

Результаты тестов показали, что на новую пленку можно записывать данные даже при постоянном воздействии УФ-излучения. А использование молекул, притягивающих электроны, формирует множество трансфер-путей электронов, что улучшило реакцию материала на лазерные лучи. А это, соответственно, означает увеличение скорости записи данных. Что касается скорости чтения данных, то по словам ученых она составляет порядка 1 ГБ/с.

Слова Шенченг Фу:

Использование благородных металлов, таких как серебро, в сфере оптического хранения обычно рассматривается как среда с медленным откликом. Мы продемонстрировали, что использование потоков передачи электронов увеличивает скорость оптического отклика частиц, сохраняя при этом другие полезные для хранения данных качества этих частиц.

Следующим этапом в исследовании данной технологии будет тестирование экологической стабильности за пределами лаборатории, так сказать под открытым небом.

Эпилог

Исследователи верят в свое новшество. И не зря, поскольку им удалось справиться с проблемой, которая существовала уже много лет — пагубное влияние УФ-излучения. Какой смысл в голографическом носителе информации, если им можно пользоваться только в темноте, грубо говоря. Несмотря на свои успехи, ученые заявляют о том, что для использования их наработок потребуется создание устройств считывания нового типа носителей. А на это потребуется немало времени и еще больше усилий.

В любом случае, как мы уже с вами прекрасно знаем, любые исследования (особенно столь успешные) имеют колоссальный позитивный эффект на развитие технологии, как таковой. Ждать в ближайшее время футуристических голографических носителей, размером с пластинку жвачки, конечно пока не стоит. Однако, как мы помним, еще лет 15 назад никто бы и не поверил в то, что в будущем будут флешки, объем которых будет измеряться не мегабайтами, а терабайтами.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?