Desde tiempos inmemoriales, una persona con cierta información ha tratado de preservarla. La razón de esto podría ser el deseo de reutilizar esta información o el deseo de transmitirla a las generaciones futuras. En cualquier caso, para guardar información, se necesita un "contenedor" donde se almacenará. Los primeros portadores de información de este tipo fueron rocas, en las cuales los pueblos antiguos representaban varios eventos de sus vidas (caza, vida, observaciones del mundo, etc.). Ahora nos hemos alejado de los dibujos en las rocas. Los discos ópticos, HDD, SDD, memoria flash y otros medios se han convertido en cosas absolutamente normales para nosotros. Sin embargo, ¿qué puede decir sobre el uso de tecnologías holográficas para almacenar información? Este método no estándar no es nuevo, pero solo recientemente, los científicos pudieron resolver el problema fundamental que impedía que esta tecnología pasara de la teoría a la práctica. ¿Cuál es este problema, cómo se resolvió y deberíamos esperar una revolución en el campo del almacenamiento de datos? Intentaremos responder estas y otras preguntas hoy. Vamos
Una breve historia de HVD
HVD (o disco holográfico versátil) es un disco holográfico multipropósito. En 1963, Peter van Heerden, científico de Polaroid, propuso un método de "almacenamiento masivo" de datos. Desde entonces, muchas empresas se han desarrollado en esta área.
HVD y DVDEn 2000, Sony anunció el desarrollo de UDO (Ultra Density Optical - medios ópticos con alta densidad de datos), que podría almacenar unos 30 GB. Ya en 2007, el formato se actualizó a UDO2 con la cantidad de información almacenada de hasta 60 GB.
En 2006, New Medium Enterprises presentó al público un formato nuevo y revolucionario: HD VMD. Después de 2 años, comenzaron las primeras ventas.
Nuevo reproductor de empresas medianas para VMDSin embargo, como sabemos, los estantes de medios holográficos no están llenos de basura hasta ahora. Y para eso hay razones sobre las cuales un poco más tarde.
Principio de la tecnología VMD
Representación esquemática de las capas del disco y los efectos de los rayos láser en ellas (Fuente: en.wikipedia.org) :
- 1 - lectura / escritura láser verde (532 nm);
- 2 - láser rojo de posicionamiento / índice (650 nm);
- 3 - holograma (datos);
- 4 - capa de policarbonato;
- 5 - capa fotopolimérica (fotopolimérica) con datos;
- 6 - capa de separación (capas distales);
- 7 - una capa que refleja el color verde (capa dicroica);
- 8 - capa de aluminio que refleja la luz roja; 9 - una base transparente; P - huecos (pozos)
Lo primero que llama la atención es la presencia de dos láseres: verde y rojo. La información se registra en forma de una imagen holográfica debido a la conexión de estos dos rayos (debido a su coherencia). El rayo verde es la referencia y no contiene datos. El haz rojo pasa a través de un modulador óptico que cambia las características del haz. Cuando dos haces se cruzan, se forma una imagen holográfica en la zona de interferencia. Como resultado, podemos almacenar datos en forma tridimensional, y no en forma bidimensional, como es el caso de los medios ópticos convencionales.
* Un ejemplo aproximado :
imagine que hay una habitación que debe llenarse con cajas. Si los coloca en el área del piso, las cajas encajarán mucho menos. Y si usa todo el espacio desde el piso hasta el techo, puede colocar muchas más cajas.
Nuevo de China
Universidad Pedagógica del NordesteComo ya entendimos, hay muchas personas que quieren crear su propio HVD. Cada una de las empresas que investigan esta tecnología aporta algo nuevo a su desarrollo general. No quiero dejar de lado a los científicos de la Northeast Normal University (Northeastern Pedagogical University). Lograron desarrollar un nuevo tipo de película que servirá como depósito de imágenes holográficas (es decir, datos). Dicho medio tendrá una alta densidad de datos, una excelente velocidad de lectura / escritura y podrá sobrevivir a cambios dramáticos en el entorno. Además, también lograron hacer frente al problema de la fragilidad de los medios holográficos debido a la exposición a la radiación ultravioleta.
El proceso de fabricación del prototipo.
La sustancia principal utilizada en los estudios fue octaedrita, una de las modificaciones polimórficas de TiO
2 (óxido de titanio). La base de vidrio está recubierta con una mezcla de nanopartículas de óxido de titanio (0.4 mol / L) y el copolímero de bloque PEO20-PP070-PPO20 (20 g / L). A continuación, la base se sumerge en una mezcla de agua y etanol (en proporciones iguales) obtenida por el método sol-gel. La velocidad de eliminación fue de 2 cm / s, lo que fue necesario para crear una película de óxido de titanio uniforme, transparente y lisa. Además, para eliminar los polímeros, la película se calcinó a una temperatura de 450 ° C durante 1 hora.
El siguiente paso fue la inmersión de una película nanoporosa de óxido de titanio en una solución de fosfofungstato (concentración - 0.016 mol / l) durante 5 horas. Un proceso tan largo es necesario para que las moléculas de ácido sean absorbidas con éxito por la superficie de la película.
Representación esquemática del proceso de creación de un prototipo de película nanoporosa.La película resultante se sumergió en una mezcla de nitrato de plata 0,01 M (AgNO3) - 49 ml y etanol - 1 ml. Los nanoporos de plata se depositaron en una película (óxido de titanio con moléculas de ácido de fosfofungsteno) durante la irradiación UV a temperatura ambiente durante 20 minutos. El paso final fue lavar la película en agua desionizada e irradiar con UV durante 5 minutos para reducir los iones Ag + residuales.
Durante la irradiación ultravioleta, la muestra se volvió marrón grisácea, lo que se debe a la absorción localizada de la resonancia de plasmón superficial de los nanoporos de plata depositados. Las propiedades ópticas y la morfología de las nanoestructuras de la muestra se obtuvieron utilizando un espectroscopio UV-2600 UV y un microscopio electrónico de barrido.
Experimento fotoelectroquímico
Este experimento se llevó a cabo a temperatura ambiente utilizando un potenciostato (un dispositivo para controlar automáticamente el potencial del electrodo y respaldar su valor predeterminado). Para el experimento, se utilizó una configuración estándar de tres electrodos:
- vidrio de óxido de estaño - electrodo de trabajo;
- Ag / AgCl (electrodo de cloruro de plata) - electrodo de referencia;
- el platino negro es el contraelectrodo.
La iluminación fue proporcionada por una lámpara de xenón Hayashi LA-410 con una intensidad de luz de 20 mW / cm
2 . Las mediciones se llevaron a cabo en un electrolito de 0,5 M Na
2 SO
4 (sulfato de sodio) con un nivel de pH de 5,8.
Proceso de grabación holográfica
La rejilla de difracción se registró utilizando un rayo láser s-polarizado coherente (532 nm, 714 mW / cm
2 ). El ángulo de intersección de los rayos de grabación se ajustó a 10 grados. La densidad de potencia de los haces de escritura era la misma y era de 57 mW / cm
2 . Se usó un láser rojo que generaba una luz polarizada s de 671 nm para controlar la dinámica de la rejilla holográfica. Se ajustó una densidad de potencia de 671 nm del láser a 7 mW / cm2 para minimizar el efecto destructivo de la radiación de lectura, que conduce a reacciones fotoquímicas. La señal de primer orden difractada se grabó en un fotodiodo acoplado a una computadora. La eficiencia de difracción de las rejillas holográficas se puede definir como la relación de las intensidades del haz de difracción de primer orden y el haz incidente después de pasar a través de la muestra.
Apariencia del sistemaAdemás, uno de los haces de escritura se expandió después del filtro espacial, colimó para pasar a través de la máscara y se centró en el centro de la película de nanocomposición Ag / PW
12 / TiO
2 . Otro haz fue dirigido en la misma dirección que el de referencia. Se recogieron imágenes holográficas reconstruidas utilizando una cámara de video CMOS. Se usó un láser rojo (671 nm) como prueba para leer una imagen holográfica.
Un esquema simplificado de ajuste óptico de una grabación holográfica, donde:
M - espejo - espejo;
BS - divisor de haz - divisor de haz;
F es la lente;
BE - expansión de haz - expansor de haz;
PD - fotodiodo - fotodiodo;
Muestra - muestra;
Máscara - máscara.Resultados de la prueba
En manos del investigador está la misma muestra que se utilizó en las pruebas.A continuación se muestran gráficos e instantáneas de los resultados de la prueba con una descripción. Para un estudio más detallado, le recomiendo que lea el informe del grupo de investigación, que encontrará por
referencia o en este
enlace (documento PDF) .
Espectros de morfología de película y absorción ultravioleta
Imagen No. 3Las imágenes
(a) y
(c) muestran imágenes SEM de superficie y transversales de una película de óxido de titanio con moléculas de ácido de fosfofungsteno (PW
12 ). Y en las imágenes
(b) y
(d), una película de óxido de titanio sin componentes adicionales. El espesor de cada una de las muestras es de 620 nm. Una muestra con PW12 muestra una distribución de nanoporos de plata significativamente menor (aproximadamente 14.7 nm) que una muestra sin PW
12 (aproximadamente 21.2 nm). Esta diferencia puede deberse a la inhibición de la agregación de los nanoporos de plata bajo la influencia de la radiación UV.
Usando aceptores, los nanoporos de plata plasmónica (menos de 30 nm) ocupan aproximadamente el 98% de la fracción de volumen, que es un muy buen indicador para lograr un alto nivel de eficiencia y velocidad de fotocromismo
(e) . Y los nanoporos de plata más ampliamente distribuidos (de 4 a 52 nm) se obtuvieron por contacto directo de este metal con una película de óxido de titanio
(f) .
Además, la concentración de nanoporos en la película Ag / PW
12 / TiO
2 es 7.94 ~ ~ 109 / cm
2 , que es menor que la de la película Ag / TiO
2 (~ 9.42 ~ ~ 109 / cm
2 ).
Imagen No. 4:
(a) Esquema que muestra una disminución de los nanoporos de plata en las películas PW 12 TiO 2 y TiO 2 debido a la exposición a los rayos UV.
(b) Espectroscopía de una película Ag / PW 12 / TiO 2 y una película Ag / TiO 2 sobre un sustrato de vidrio (base) en el rango UV.Entre otras cosas, el uso de PW
12 proporciona canales de transporte electrónico adicionales en los procesos de deposición fotocatalítica y transferencia de electrones
(a) . Los electrones fotogenerados de TiO
2 se distribuyen, y algunos de ellos se pueden transferir a PW
12 bajo excitación UV, lo que efectivamente disminuye la deposición de los nanoporos de plata. El efecto de retardo probado en los espectros de absorción UV de la muestra Ag / PW
12 / TiO
2 fue de ~ 0.95, y el de la muestra Ag / TiO2 fue de aproximadamente ~ 1.38
(b) .
Imagen No. 5:
(a) Una exploración lineal de voltammogramas de electrones PW 12 / TiO 2 y electrones de TiO 2 (exploración a una velocidad de 10 mV / s). El recuadro (esquina inferior derecha) muestra los resultados de la prueba en la oscuridad.
(b) Proceso de transición de electrones en una película Ag / PW 12 / TiO 2 cuando se expone a la radiación UV.Modulación del fotocromismo reversible.
Imagen 6: absorción diferencial de las películas Ag / PW 12 / TiO 2 (a) y Ag / TiO 2
(b) irradiado alternativamente con luz verde (532 nm, 57 mW / cm 2 ) y radiación UV (360 nm, 71 mW / cm 2 ). Cambios en la absorción de Ag / PW 12 / TiO 2 © y Ag / TiO 2 (d) tras la exposición alterna a la radiación verde y UV.
Imagen n. ° 7: eficiencia de difracción de primer orden de las rejillas holográficas en una película Ag / PW 12 / TiO 2 (a) y en una película Ag / TiO 2 (b) cuando se exponen a (s + s) haz verde (grabación) y haz UV (borrado) ) por cuatro ciclos.Resultados de los investigadores
El uso de la tecnología holográfica le permite escribir y leer millones de bytes a la vez, que es varias veces más rápido que cuando se usan medios de almacenamiento ópticos y magnéticos. Otra ventaja importante de esta tecnología es el registro de datos en forma tridimensional, que le permite almacenar más datos en un medio cuyo tamaño real no aumenta. Este es, en cierto modo, el uso más eficiente del espacio.
El mayor problema son los efectos nocivos de la radiación UV, que curiosamente borra los datos de los medios. Sin embargo, los investigadores lograron hacer frente a esta dificultad. Es para este propósito que se utilizaron materiales como plata y óxido de titanio. Usando un láser, las partículas de plata se convirtieron en cationes de plata con una carga positiva debido a electrones adicionales.
Uno de los investigadores,
Shencheng Fu , dice lo siguiente sobre esto:
Descubrimos que la radiación UV puede borrar los datos porque hace que los electrones se muevan de una película de semiconductores a nanopartículas de metal, causando la misma conversión de fotones que un láser. La introducción de electrones que "atraen" moléculas ha llevado a algunos electrones a transferirse del semiconductor a estas moléculas, reduciendo las propiedades de borrado de la radiación UV y creando un medio de almacenamiento de datos de alta densidad ambientalmente sostenible.
La importancia de los nanoporos radica en su capacidad para permitir que las nanopartículas, las moléculas que atraen electrones y un semiconductor interactúen entre sí. Y el tamaño increíblemente pequeño de las moléculas que atraen electrones les permite unirse dentro de los poros sin afectar su estructura. Las dimensiones finales de la película tenían solo 620 nanómetros de espesor.
Los resultados de la prueba mostraron que los datos pueden registrarse en una nueva película incluso con exposición constante a la radiación UV. Y el uso de moléculas que atraen electrones forma muchos caminos de transferencia de electrones, lo que mejoró la respuesta del material a los rayos láser. Y esto, respectivamente, significa un aumento en la velocidad de grabación de datos. En cuanto a la velocidad de lectura de datos, según los científicos, es de aproximadamente 1 GB / s.
Las palabras de Shencheng Fu:
El uso de metales nobles, como la plata, en el campo del almacenamiento óptico generalmente se considera como un medio de respuesta lenta. Hemos demostrado que el uso de corrientes de transferencia de electrones aumenta la velocidad de la respuesta óptica de las partículas, al tiempo que conserva otras cualidades de estas partículas que son útiles para almacenar datos.
El siguiente paso en el estudio de esta tecnología será probar la estabilidad ambiental fuera del laboratorio, por así decirlo al aire libre.
Epílogo
Los investigadores creen en su innovación. Y no en vano, porque lograron hacer frente a un problema que había existido durante muchos años: los efectos nocivos de la radiación UV. ¿Cuál es el punto en un portador de información holográfica, si se puede usar solo en la oscuridad, en términos generales? A pesar de sus éxitos, los científicos dicen que usar sus desarrollos requerirá la creación de lectores de un nuevo tipo de medios. Y tomará mucho tiempo e incluso más esfuerzo.
En cualquier caso, como ya sabemos perfectamente bien, cualquier investigación (especialmente tan exitosa) tiene un tremendo efecto positivo en el desarrollo de la tecnología como tal. Esperar en un futuro próximo medios holográficos futuristas del tamaño de una placa de goma de mascar no merece la pena todavía. Sin embargo, como recordamos, ya hace 15 años, nadie hubiera creído que en el futuro habría unidades flash cuyo volumen se mediría no en megabytes, sino en terabytes.
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