Wetenschap
Team presenteert een nieuw pad naar gegevensopslag op de lange termijn, gebaseerd op defecten op atomaire schaal
Met de ontwikkeling van internet, sociale media en cloud computing stijgt de hoeveelheid data die wereldwijd dagelijks wordt gecreëerd enorm. Dit vraagt om nieuwe technologieën die een hogere opslagdichtheid kunnen bieden, gecombineerd met veilige gegevensarchivering op de lange termijn, die veel verder gaat dan de mogelijkheden van traditionele apparaten voor gegevensopslag.
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de HZDR stelt nu een nieuw concept van gegevensopslag op lange termijn voor, gebaseerd op defecten op atomaire schaal in siliciumcarbide, een halfgeleidend materiaal. Deze defecten worden veroorzaakt door een gefocusseerde ionenbundel, die een hoge ruimtelijke resolutie, een hoge schrijfsnelheid en lage energie biedt voor het opslaan van een enkele bit. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials .
Volgens de laatste schattingen wordt er elke dag ongeveer 330 miljoen terabyte aan nieuwe data gecreëerd, waarbij 90% van de data in de wereld alleen al in de afgelopen twee jaar is gegenereerd. Als de cijfers alleen al wijzen op de noodzaak van geavanceerde technologieën voor gegevensopslag, is dit zeker niet het enige probleem dat met deze ontwikkeling gepaard gaat.
"De beperkte opslagtijd van de huidige opslagmedia vereist datamigratie binnen enkele jaren om dataverlies te voorkomen. Behalve dat je vastzit in voortdurende datamigratieprocedures, verhoogt dit het energieverbruik aanzienlijk, omdat daarbij een aanzienlijke hoeveelheid energie wordt verbruikt. " zegt dr. Georgy Astakhov van het Institute of Ion Beam Physics and Materials Research bij HZDR.
Om deze dreigende crisis te verzachten introduceert het team van Astakhov nu een nieuw concept van gegevensopslag op lange termijn, gebaseerd op defecten op atomaire schaal in siliciumcarbide. Deze defecten worden veroorzaakt door een gefocusseerde bundel protonen of heliumionen en worden gelezen met behulp van luminescentiemechanismen die verband houden met de defecten.
Traditionele opslagapparaten beperkt door natuurkunde
Momenteel is magnetisch geheugen de eerste keuze als het gaat om oplossingen voor gegevensopslag die grote capaciteiten nastreven, terwijl de wetten van de natuurkunde de grenzen stellen aan haalbare opslagdichtheden. Om ze te vergroten, moet de grootte van de magnetische deeltjes krimpen. Maar dan winnen thermische schommelingen en diffusieprocessen in het materiaal aan belang, met een verslechterende impact op de opslagtijd.
Het afstemmen van de magnetische eigenschappen van het materiaal zou dit effect kunnen onderdrukken, maar daar hangt een prijskaartje aan:een hogere energie om informatie op te slaan. Op dezelfde manier worden de prestaties van optische apparaten ook gedwarsboomd door de wetten van de natuurkunde. Vanwege de zogenaamde diffractielimiet is het kleinste opnamebit beperkt in grootte:het kan niet kleiner worden dan de helft van de lichtgolflengte, wat de limiet van de maximale opslagcapaciteit bepaalt. De uitweg is multidimensionale optische opname.
Siliconencarbide vertoont defecten op atomaire schaal, vooral de afwezigheid van siliciumatomen op de roosterplaats. De defecten worden veroorzaakt door een gefocusseerde proton- of heliumionenbundel, die een hoge ruimtelijke resolutie, hoge schrijfsnelheid en lage energie biedt voor het opslaan van een enkele bit. "De diffractielimiet van de opslagdichtheid die inherent is aan optische media is ook in ons geval van toepassing. We overwinnen deze door 4D-coderingsschema's.
"Hier worden de drie ruimtelijke dimensies en een extra vierde intensiteitsdimensie gerealiseerd door de laterale positie en diepte te controleren, evenals het aantal defecten. Vervolgens lezen we de opgeslagen gegevens optisch uit door middel van fotoluminescentie veroorzaakt door optische excitatie.
"Bovendien kan de oppervlakteopslagdichtheid aanzienlijk worden verbeterd door gebruik te maken van gefocusseerde elektronenbundelexcitatie, waardoor waarneembare kathodoluminescentie ontstaat", zegt Astakhov.
Gegevens opslaan voor generaties
De opgeslagen informatie zou weer uit de defecten kunnen worden gehaald, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden waarin het medium wordt bewaard, maar de wetenschappers hebben goed nieuws gezien hun materiaal. "De temperatuurafhankelijke deactivering van deze defecten suggereert een minimale retentietijd over een paar generaties onder omgevingsomstandigheden", zegt Astakhov.
En er is meer. Met nabij-infrarood laserexcitatie, moderne coderingstechnieken en meerlaagse gegevensopslag, namelijk het op elkaar stapelen van maximaal 10 lagen siliciumcarbide, bereikt het team een oppervlakteopslagdichtheid die overeenkomt met die van Blu-ray-schijven.
Door over te schakelen op elektronenstraalexcitatie in plaats van optische excitatie voor het uitlezen van de gegevens, komt de op deze manier haalbare limiet overeen met een momenteel gerapporteerde recordoppervlakteopslagdichtheid van een prototype van een magneetband, die echter een kortere opslagtijd en een hoger energieverbruik heeft. .
Voor dit werk bundelden de wetenschappers van Rossendorf hun krachten met onderzoekers van de Julius-Maximilian Universiteit Würzburg (Duitsland), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology (VS), National Institutes for Quantum Science and Technology (Japan) en Tohoku University (Japan). . De conceptuele aanpak van het team beperkt zich niet tot siliciumcarbide en kan worden uitgebreid naar andere materialen met optisch actieve defecten, waaronder 2D-materialen.