De totale hoeveelheid gegevens die wereldwijd wordt gegenereerd, zal naar verwachting in 2025 175 zettabytes (1 ZB is gelijk aan 1 miljard terabytes) bereiken. Als 175 ZB op Blu-ray-schijven zou worden opgeslagen, de stapel zou 23 keer de afstand tot de maan zijn. Er is dringend behoefte aan het ontwikkelen van opslagtechnologieën die deze enorme hoeveelheid gegevens kunnen verwerken.

De vraag om steeds grotere hoeveelheden informatie op te slaan heeft geleid tot de wijdverbreide implementatie van datacenters voor Big Data. Deze centra verbruiken enorme hoeveelheden energie (ongeveer 3% van de wereldwijde elektriciteitsvoorziening) en zijn afhankelijk van op magnetisatie gebaseerde harde schijven met een beperkte opslagcapaciteit (tot 2 TB per schijf) en een levensduur (drie tot vijf jaar). Optische gegevensopslag met lasertechnologie is een veelbelovend en kosteneffectief alternatief om aan deze ongekende vraag te voldoen. Echter, de diffractieve aard van licht heeft de grootte beperkt waarop bits kunnen worden geschaald, en als een resultaat, de opslagcapaciteit van optische schijven.

Onderzoekers van USST, RMIT en NUS hebben deze beperking nu overwonnen door gebruik te maken van aardrijke, met lanthanide gedoteerde opconversie-nanodeeltjes en grafeenoxidevlokken. Dit unieke materiaalplatform maakt optisch schrijven van informatiebits op nanoschaal mogelijk.

Een sterk verbeterde gegevensdichtheid kan worden bereikt voor een geschatte opslagcapaciteit van 700 TB op een optische schijf van 12 cm, vergelijkbaar met een opslagcapaciteit van 28, 000 Blu-ray-schijven. Verder, de technologie maakt gebruik van goedkope continue-golflasers, verlaging van de bedrijfskosten in vergelijking met traditionele optische schrijftechnieken met dure en omvangrijke gepulseerde lasers.

Deze technologie biedt ook het potentieel voor optische lithografie van nanostructuren in op koolstof gebaseerde chips die in ontwikkeling zijn voor nanofotonische apparaten van de volgende generatie.

De gevolgen

Optische gegevensopslag is de afgelopen decennia opmerkelijk vooruitgegaan, maar de opslagcapaciteit van de optische schijf is nog steeds beperkt tot enkele terabytes.

De nieuwe optische sub-diffractie-schrijftechnologie kan een optische schijf produceren met de grootste opslagcapaciteit van alle beschikbare optische apparaten. Hoewel er vooruitgang nodig is om de technologie te optimaliseren, de resultaten openen nieuwe wegen om de wereldwijde uitdaging van gegevensopslag aan te pakken. De technologie is geschikt voor de massaproductie van optische schijven en zou een goedkopere en duurzamere oplossing kunnen bieden voor de volgende generatie optische gegevensopslag met hoge capaciteit en de energie-efficiënte nanofabricage van flexibele op grafeen gebaseerde elektronica.

Hoe het werkt

De technologie maakt gebruik van een nieuw nanocomposietmateriaal dat grafeenoxidevlokken combineert met opgewaardeerde nanodeeltjes.

Grafeenoxide kan worden gezien als een enkele laag grafiet met verschillende zuurstofgroepen. Het verminderen van grafeenoxide door deze zuurstofgroepen te elimineren, produceert een materiaal dat gereduceerd grafeenoxide wordt genoemd, die vergelijkbare eigenschappen heeft als grafeen.

Er zijn subdiffractie-informatiebits in de nanocomposiet geschreven met behulp van upconversie-nanodeeltjes om grafeenoxide lokaal te verminderen bij gemanipuleerde verlichting. De reductie van grafeenoxide werd geïnduceerd door hoogenergetische quanta die werden gegenereerd in de aangeslagen opconversie-nanodeeltjes via een proces van resonantie-energieoverdracht.

De onderzoekers kozen voor opconversie-nanodeeltjes omdat ze efficiënt optisch schrijven met subdiffractie mogelijk maken met een lage laserstraalintensiteit, wat resulteert in een laag energieverbruik en een lange levensduur van optische apparaten.