لیزرهای فمتوثانیه می توانند ذخیره سازی طولانی مدت داده را فعال کنند

حجم روزافزون داده‌ای که در عصر دیجیتال انباشته می‌شود، نیازمند تکنیک‌های ذخیره‌سازی جدید است که عمر طولانی، انرژی کارآمد و کاربردی دارند. محققان بریتانیایی فکر می‌کنند که با استفاده از پلاریزاسیون پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای برای جهت‌دهی ساختارهای نانو اندازه در صفحات شیشه‌ای، احتمالاً پاسخ را یافته‌اند.

افزایش بهره وری انرژی

مراکز داده امروزه از فناوری‌های مختلفی برای پاسخگویی به نیازهای فزاینده ذخیره‌سازی استفاده می‌کنند، اما هر کدام محدودیت‌هایی دارند. هارد دیسک‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند و معمولاً فقط چند سال دوام می‌آورند، در حالی که نوارهای مغناطیسی برای استفاده روزمره بسیار کند هستند. دیسک های نوری معمولی مانند سی دی و دی وی دی نیز بسیار کند هستند و همچنین طول عمر محدودی دارند.

در جدیدترین کار، پیتر کازانسکی و همکارانش در دانشگاه ساوتهمپتون، بریتانیا، دستگاهی با طول عمر بالقوه نامحدود پیشنهاد کردند که از پالس های یک منبع لیزر فمتوثانیه برای ذخیره داده ها در یک تکه شیشه سیلیسی در پنج بعد (سه بعد فضایی) استفاده می کند. و همچنین دو پارامتری که انکسار دوگانه سیلیس را مشخص می کند. نوشتن بر روی دستگاه شامل تعدیل قطبش و شدت لیزر است تا داده ها از طریق جهت گیری محور آهسته و عقب ماندگی (تفاوت مسیر نوری بین دو قطبش متعامد) ساختارهای نانومتری در سیلیس رمزگذاری شود.

گروه ساوتهمپتون قبلاً نشان داده است که این تکنیک اصولاً می تواند کار کند، اما به دلیل نیاز به چندین عکس لیزری برای ایجاد یک نانوساختار منفرد با مشکل مواجه شده است. نوشتن سریع داده ها مستلزم آن است که لیزر با سرعت تکرار بالا کار کند، اما فراتر از یک نرخ مشخص، این فرآیند گرمای زیادی تولید می کند و داده ها نمی توانند به طور دقیق رمزگذاری شوند.

کازانسکی و همکارانش اکنون نشان داده اند که چگونه می توان این مشکل را با افزایش بهره وری انرژی فرآیند نوشتن به حداقل رساند. آنها این کار را با تقسیم این فرآیند به دو مرحله انجام دادند. اول، آنها از یک یا چند پالس لیزری با انرژی نسبتاً بالا برای ایجاد یک انفجار کوچک استفاده می کنند که یک فضای خالی دایره ای یکنواخت در حدود 130 نانومتر در سراسر سیلیس ایجاد می کند. آنها سپس از چندین پالس «نوشتن» با انرژی کمتر استفاده می‌کنند تا آن فضای خالی را حدود ضریب پنج در زوایای قائم به محور قطبش نور طویل کنند - و بنابراین داده‌ها را رمزگذاری می‌کنند.

آنها توانستند انرژی پالس های نوشتاری را با بهره برداری از پدیده افزایش میدان نزدیک کاهش دهند. میدان الکتریکی تولید شده توسط این پالس ها در لبه فضای خالی ایجاد شده توسط پالس های کاشت، در صفحه عمود بر قطبش پالس ها تقویت می شود. این میدان تقویت شده سیلیس را یونیزه می کند و در نتیجه نقطه داده یا "voxel" را می نویسد.

نوشتن با سرعت نور

برای نشان دادن اینکه چگونه می‌توان از این تکنیک برای ذخیره داده‌ها در عمل استفاده کرد، محققان از لیزری با طول موج 515 نانومتر و نرخ تکرار 10 مگاهرتز استفاده کردند که روی صفحه سیلیسی با قطر 120 میلی‌متر با استفاده از یک منحرف کننده آکوستو-اپتیک اسکن کردند. هر وکسل به یک پالس بذری و چهار یا هفت پالس نوشتاری نیاز داشت، بسته به اینکه کدام یک از دو سطح عقب ماندگی برای رمزگذاری آن وکسل خاص مورد نیاز است.

با هشت قطبش احتمالی - مربوط به هشت جهت محور آهسته خاص - برای هر یک از دو سطح عقب ماندگی، هر وکسل را می توان در هر یک از 16 پیکربندی ممکن قرار داد و بنابراین چهار بیت باینری را در خود جای داد. با اسکن با سرعت 1 میلیون وکسل در ثانیه، آنها توانستند 5 گیگابایت داده را در 50 لایه با ضخامت 2.4 میلی متری دیسک در مدت پنج ساعت بنویسند. آنها سپس دریافتند که می توانند داده ها را با دقت "تقریبا 100٪" بازخوانی کنند.

پیشرفت های آینده

کازانسکی و همکارانش می گویند که سرعت نوشتن را می توان با افزایش سرعت تکرار تا 50 مگاهرتز به مگابایت در ثانیه افزایش داد. آن‌ها همچنین فکر می‌کنند با افزایش تعداد جهت‌گیری‌های محور آهسته و کاهش اندازه دستگاه، می‌توان تعداد بیت‌ها را در هر وکسل دو برابر کرد، به طوری که وکسل‌ها فقط 0.2 میکرومتر از هم فاصله داشته باشند و لایه‌های مجاور فقط با 3 میکرومتر از هم جدا شوند. آنها می گویند در این صورت، یک صفحه شیشه ای با ضخامت 4 میلی متر به قطر 127 میلی متر می تواند حدود 500 ترابایت داده را ذخیره کند.

محققان خاطرنشان می کنند که یک نقطه ضعف قابل توجه در طرح فعلی آنها وجود دارد - سرعت خواندن. سیستم تصویربرداری با کنترل دستی آنها خواندن را به سرعت یخبندان تنها چند بایت در ثانیه محدود می کرد. اما آن‌ها مطمئن هستند که این یک نشان‌دهنده نیست و استدلال می‌کنند که با استفاده از تصویربرداری قطبش خودکار و الگوریتم‌های رمزگشایی قدرتمندتر می‌توانند سرعت را به ده‌ها مگابایت در ثانیه افزایش دهند.