Цивилизация
Кажется, еще совсем недавно компакт-диски казались верхом совершенства в технологии хранения информации. Диск, на котором можно было записать поначалу чуть больше сотни, а сейчас — под 800 мегабайт, в сотни раз превзошел информационную емкость магнитных дискет. Потом появились DVD, на каждую поверхность которых можно записать 4,7 гигабайта информации.
Однако принципиально эта технология не отличается от граммофонной записи, придуманной во второй половине XIX века французом Шарлем Кро и американцем Томасом Эдисоном. Те же параллельные дорожки, те же ямки и бугорки, в которых зашифрована последовательность сигналов — колебаний мембраны громкоговорителя в фонографе или нулей и единиц при цифровой записи.
Просто вместо алмазной иглы используется сфокусированный лазерный луч, который позволяет записать куда больше ямок и бугорков на тот же элемент поверхности (на записываемых дисках вместо ямок и бугорков используются красители, которые под действием сильного записывающего лазера меняют цвет). DVD, по сути, отличаются лишь меньшей длиной волны лазера (он работает в оптическом диапазоне вместо инфракрасного), что позволяет добиться более высокой плотности записи. Технология Blu-Ray — дальнейшее развитие той же идеи; как и следует из названия, здесь вместо красного используют еще более коротковолновый синий лазер.
Емкость оптического диска определяется количеством разрешаемых лазером маленьких элементарных площадок, пикселей (ямок и бугорков или темных и светлых участков), которые умещаются на площади диска.
Конечно, хотелось бы выйти за пределы этих двух измерений, и это действительно было сделано. Многослойные DVD содержат несколько рабочих слоев, на которые фокусируются сначала записывающий, а потом считывающий лазер. По сути, это трехмерная запись, хотя третье измерение, глубина, ограничивается пока лишь очень небольшим количеством слоев (в коммерчески доступных устройствах — буквально парой с каждой стороны диска).
Казалось бы, куда дальше? В статье, опубликованной в последнем номере Nature, Джеймс Чон (Чхон), Петер Зейлстра и Гу Минь из Технологического университета имени Джорджа Свинбурна в австралийском Мельбурне показали, как сделать запись пятимерной. Двумя дополнительными измерениями стали длина волны (грубо говоря, цвет) и направление поляризации света, с помощью которого записывается и считывается информация.
Разрешение по двум дополнительным измерениям в реально продемонстрированном образце составляет всего 2x3 виртуальных «слоя», однако они стали первыми, кому удалось объединить обе координаты в одной технологии. Да и по глубине Чон и его коллеги смогли создать целых 10 слоев.
В итоге емкость диска стандартного размера, созданного по такой технологии, составит 1,6 терабайт — в 400 раз больше, чем на обычном DVD.
И ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы увеличить эту емкость еще в 5–10 раз. Правда, реальный размер их образца пока составляет лишь десятые доли миллиметра.
Разделить «слои» по измерениям длины волны и поляризации света помогли золотые стержни нанометровых размеров. В зависимости от размеров и ориентации они очень эффективно поглощают свет только определенной длины волны и поляризации. Подходящие колебания электромагнитного поля возбуждают активное движение электронов на поверхности стержней — так называемые поверхностные плазмоны. Поглощенная в них энергия света в конце концов превращается в тепло, которое способно расплавить сами стержни. Расплавившись, они из стержней превращаются в маленькие капельки, которые застывают в шарообразной форме и теми же свойствами избирательности уже не обладают.
Таким способом происходит запись пикселей: там, где большинство стержней превратилось в шарики, записана «1», там, где они остались стержнями, — «0». А поскольку на поверхности диска разбросаны наностержни разных ориентаций и размеров (в каждом пикселе размером около 1 микрона находятся сотни и тысячи наностерженьков), то, сменив поляризацию и длину волны записывающего лазера, можно проделать ту же самую процедуру с другим стержнями в том же самом месте. Разделение слоев по координате глубины проводится простой фокусировкой лазера — в плохо сфокусированной области его мощности оказывается недостаточно для расплавки золота.
Для считывания информации ученые снова облучают записанный пиксель светом нужной длины волны и поляризации и смотрят, насколько эффективно он светится. Однако важно делать это так, чтобы стерженьки не нагревались слишком сильно — в противном случае после считывания информация будет уничтожена и все пиксели превратятся в «единички».
Чтобы этого избежать, Чон и его коллеги воспользовались явлением двухфотонной люминесценции. Они облучают пиксель парами фотонов вдвое меньшей энергии, которые наностержни очень эффективно превращают в один фотон характерной для себя частоты. Причины такой эффективности — это явление называют lightning rod effect («эффект громоотвода», хотя этот перевод не отражает всей игры слов) — пока не до конца понятны, но эффективность люминесценции повышается на порядки, и австралийцам это на руку. При этом считывать можно одновременно несколько «слоев», используя детекторы соответствующих длин волн параллельно.
Конечно, не стоит ждать, что компактное устройство, способное разом записать на стандартный диск несколько терабайт информации, появится на рынке в ближайший год или даже пять лет.
Для записи ученые использовали импульсы громоздких фемтосекундных лазеров, а считывали с использованием вакуумных фотоэлектронных умножителей, которые требуют для своей работы напряжений во много киловольт. Кроме того, крохотная площадка размером в доли миллиметра — это не диск диаметром в 12 см.
Однако принципиальных трудностей в том, чтобы сделать эту технологию доступной, нет. По словам авторов работы, энергии для записи хватит и у хорошего — и совсем недорогого — лазерного светодиода. Запись каждого пикселя происходит на временных масштабах в наносекунды, так что, если записывающую и считывающие головки удастся компактифицировать, их легко будет встроить в стандартный привод. Сколько будет стоить диск с покрытием из золотых наностержней, ученые не оценивали.
Кроме увеличения плотности записи информации у этой технологии могут быть и другие приложения, пишут Чон и его коллеги. Например, создание оптических модуляторов для фотонных устройств. Или защита данных — ведь если не знать, в какой длине волны и с какой поляризацией записаны данные, то, чтобы распознать в ничем не выделяющемся многослойном диске источник секретной информации, потребуется электронный микроскоп.