211service.com
Een cd van drie terabyte branden
Aangezien gigabytes aan films, afbeeldingen, audio en tekst steeds meer cd's en dvd's vullen, is er duidelijk behoefte aan betere manieren om meer gegevens op te slaan. Een onderzoeksteam van Harvard University heeft een techniek ontwikkeld die kan helpen om de capaciteit van conventionele optische schijven aanzienlijk te vergroten. Ze hebben een nano-antenne gefabriceerd - rechtstreeks gebouwd op een goedkope, kant-en-klare laser - die licht focust op een veel kleinere spotgrootte dan mogelijk is met zelfs de beste traditionele lenzen, waardoor mogelijk meer bits op een optische schijf.
Een computersimulatie van de optische nano-antenne die onderzoekers van Harvard hebben gefabriceerd. De antenne bestaat uit twee met goud beklede nanostaafjes, gescheiden door een opening van 30 nanometer, en kan het licht van een commerciële laser concentreren op een plek van slechts 40 nanometer breed. Het kan worden gebruikt om terabytes in plaats van gigabytes aan gegevens naar een cd of dvd te schrijven. (Tegoed: Ertugrul Cubukcu)
De opslagcapaciteit van een schijf neemt toe naarmate de golflengte van het licht dat wordt gebruikt om er gegevens op te schrijven, afneemt; Cd's worden geschreven en gelezen met licht met een golflengte van 780 nanometer, dvd's gebruiken 650 nanometer en HD-dvd's en Blu-ray-schijven gebruiken 405 nanometer. Voor golflengten korter dan 405 nanometer zouden lichtbronnen nodig zijn die veel te duur zijn voor consumentenelektronica.
Het probleem is dat conventionele lenzen het licht slechts tot de helft van hun golflengte kunnen focussen, een fysieke barrière die de diffractielimiet wordt genoemd. De Harvard-onderzoekers omzeilden deze limiet echter door de traditionele optica te verlaten ten gunste van nano-optische technieken. We kunnen de golflengtebeperking omzeilen door een antenne te gebruiken, zegt Ken Crozier , assistent-professor elektrotechniek aan Harvard.
Het team van Crozier, Federico Capasso , hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de universiteit, en afgestudeerde studenten Eric Kort en Ertugrul Cubukcu ontwierpen de optische antenne om licht van een commerciële laser (met een golflengte van 830 nanometer) te focusseren tot een spotgrootte van 40 nanometer. Met deze resolutie zou je in staat zijn om meer dan drie terabytes [ongeveer 3.000 gigabytes] aan gegevens te verpakken op iets ter grootte van een cd, schat Crozier. Dat is genoeg voor meer dan 300 speelfilms. Ter vergelijking: een dual-layer HD-DVD of Blu-ray-schijf kan respectievelijk 30 gigabyte of 50 gigabyte bevatten.
De antenne bestaat volgens Crozier uit twee met goud beklede nanostaafjes, gescheiden door een opening van 30 nanometer breed. Wanneer het licht van de laser de nanostaafjes raakt, oefent het een kracht uit op de elektronen in het goud, waardoor ze op hun plaats worden geduwd. De elektronen blijven echter niet lang verplaatst en worden teruggetrokken naar hun oorspronkelijke positie. Maar ze schieten voorbij, zegt Crozier, en stuiteren terug op hun plaats, oscillerend als een massa op een veer.
Deze oscillerende elektronen beïnvloeden de kleine opening tussen de nanostaafjes. Als je een momentopname van de antenne zou maken, zegt Crozier, zou je zien dat positieve ladingen zich aan de ene kant van de opening verzamelen en negatieve ladingen aan de andere kant. De nanostaafjes en de opening fungeren als een kleine condensator - met tegengestelde ladingen aan weerszijden van de opening - die de energie van het laserlicht effectief concentreert op een plek ter grootte van de opening. Deze plek behoudt zijn grootte tot ongeveer 10 nanometer van de antenne voordat hij zich begint uit te spreiden.
Hoewel de opening van 10 nanometer minuscuul is, zouden onderzoekers met behulp van de technologie een nieuw type optische lees- en schrijfkop kunnen bouwen, stelt Crozier voor. De magnetische opslagindustrie, benadrukt hij, werkt met een even kleine opening tussen de kop en het medium.
Het gebruik van nano-antennes om optisch licht te focussen is geen geheel nieuw idee, zegt Crozier, maar hun werk, gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , is de eerste keer dat een antenne rechtstreeks op een laser is geïntegreerd. Dit biedt een voordeel in de productie omdat de lichtbron en antenne in één pakket zitten. Het is extreem compact en gebruiksvriendelijker omdat de uitlijning met de laser en de antenne allemaal in fabricage gebeurt, zegt hij.
Er wordt veel onderzoek gedaan om de lichtvlekgrootte te verkleinen, maar het is vooral aantrekkelijk voor de gegevensopslagindustrie, zegt Bae-Ian Wu, een onderzoekswetenschapper in het Research Laboratory of Electronics van MIT. Het gebruik van een nano-antenne is slechts één manier om een superresolutie te krijgen die kleiner is dan de golflengte van licht. Maar, zegt hij, het werk van de Harvard-onderzoekers is erg goed in die zin dat ze optische experimenten doen om hun theorie te staven, terwijl sommige artikelen alleen op het gebied van theorie zijn. De wetenschappers van Harvard, voegt hij eraan toe, hebben het gewoon gedaan.
Crozier zegt dat zijn team fabricagetechnieken onderzoekt die de spotgrootte verder kunnen verkleinen tot 20 nanometer. Ze onderzoeken ook alternatieven voor het goudmetaal dat momenteel hun nanostaven bedekt. Zilver zou bijvoorbeeld licht efficiënter kunnen concentreren dan goud op de golflengten die worden gebruikt door de consumentenelektronica-industrie.