Resolvendo o problema de UV na tecnologia de armazenamento de dados holográficos

Desde tempos imemoriais, uma pessoa com algumas informações tenta preservá-las. A razão para isso pode ser o desejo de reutilizar essas informações ou o desejo de repassá-las para as gerações futuras. De qualquer forma, para salvar informações, é necessário um "contêiner" onde será armazenado. Os primeiros portadores dessas informações foram rochas, nas quais os povos antigos retratavam vários eventos de suas vidas (caça, vida, observações do mundo etc.). Agora, nos afastamos dos desenhos nas rochas. Discos ópticos, HDD, SDD, memória flash e outras mídias tornaram-se coisas absolutamente comuns para nós. No entanto, o que você pode dizer sobre o uso de tecnologias holográficas para armazenar informações? Esse método não-padrão não é novo, mas apenas recentemente os cientistas conseguiram resolver o problema fundamental que impedia essa tecnologia de passar da teoria para a prática. Qual é esse problema, como foi resolvido e devemos esperar uma revolução no campo do armazenamento de dados? Vamos tentar responder hoje a essas e outras perguntas. Vamos lá

Uma Breve História do HVD

HVD (ou disco holográfico versátil) é um disco multiuso holográfico. Em 1963, Peter van Heerden, cientista da Polaroid, propôs um método de "armazenamento em massa" de dados. Desde então, muitas empresas vêm se desenvolvendo nessa área.


HVD e DVD

Em 2000, a Sony anunciou o desenvolvimento do UDO (mídia óptica ótica de ultra densidade com alta densidade de dados), que pode armazenar cerca de 30 GB. Já em 2007, o formato foi atualizado para UDO2 com a quantidade de informações armazenadas de até 60 GB.

Em 2006, as Novas Médias Empresas apresentaram ao público um formato novo e revolucionário - HD VMD. Após 2 anos, as primeiras vendas começaram.


Novo player de médias empresas para VMD

No entanto, como sabemos, as lojas de eletrônicos das prateleiras de mídia holográfica não estão desarrumadas até o momento. E para isso há razões pelas quais um pouco mais tarde.

Princípio da tecnologia VMD

Representação esquemática das camadas do disco e os efeitos dos raios laser sobre elas (Fonte: en.wikipedia.org) :

• 1 - leitura / gravação a laser verde (532 nm);
• 2 - laser de posicionamento / índice vermelho (650 nm);
• 3 - holograma (dados);
• 4 - camada de policarbonato;
• 5 - camada fotopolimérica (fotopolimérica) com dados;
• 6 - camada de separação (distancia as camadas);
• 7 - uma camada que reflete a cor verde (camada dicróica);
• 8 - camada de alumínio refletindo luz vermelha; 9 - uma base transparente; P - recessos (caroços)

A primeira coisa que chama sua atenção é a presença de dois lasers - verde e vermelho. As informações são registradas na forma de uma imagem holográfica devido à conexão desses dois raios (devido à sua coerência). O raio verde é a referência e não contém dados. O feixe vermelho passa através de um modulador óptico que altera as características do feixe. Quando dois feixes se cruzam, uma imagem holográfica é formada na zona de interferência. Como resultado, podemos armazenar dados na forma tridimensional, e não na bidimensional, como é o caso da mídia óptica convencional.



* Um exemplo aproximado : imagine que há uma sala que precisa ser preenchida com caixas. Se você os colocar na área do piso, as caixas caberão muito menos. E se você usar todo o espaço do chão ao teto, poderá colocar muito mais caixas.

Novo da China

Universidade Pedagógica do Nordeste

Como já entendemos, muitas pessoas querem criar seu próprio HVD. Cada uma das empresas que pesquisam essa tecnologia traz algo novo ao seu desenvolvimento geral. Não quero ficar de fora e cientistas da Northeast Normal University (Northeastern Pedagogical University). Eles conseguiram desenvolver um novo tipo de filme que servirá como repositório de imagens holográficas (ou seja, dados). Esse meio terá uma alta densidade de dados, excelente velocidade de leitura / gravação e será capaz de sobreviver a mudanças drásticas no ambiente. Além disso, eles também conseguiram lidar com o problema da fragilidade dos meios holográficos devido à exposição à radiação ultravioleta.

O processo de fabricação do protótipo

A principal substância usada nos estudos foi o octaedrito - uma das modificações polimórficas do TiO ₂ (óxido de titânio). A base de vidro é revestida com uma mistura de nanopartículas de óxido de titânio (0,4 mol / L) e o copolímero em bloco PEO20-PP070-PPO20 (20 g / L). Em seguida, a base é imersa em uma mistura de água e etanol (em proporções iguais) obtida pelo método sol-gel. A taxa de remoção foi de 2 cm / s, necessária para criar um filme uniforme, transparente e liso de óxido de titânio. Além disso, para remover os polímeros, o filme foi calcinado a uma temperatura de 450 ° C por 1 hora.

O passo seguinte foi a imersão de um filme nanoporoso de óxido de titânio em uma solução de fosfofungstato (concentração - 0,016 mol / l) por 5 horas. Um processo tão longo é necessário para que as moléculas de ácido sejam absorvidas com sucesso pela superfície do filme.


Representação esquemática do processo de criação de um protótipo de filme nanoporoso

O filme resultante foi imerso em uma mistura de nitrato de prata 0,01 M (AgNO ₃ ) - 49 ml e etanol - 1 ml. Nanoporos de prata foram depositados em um filme (óxido de titânio com moléculas de ácido fosfofungstênio) durante a irradiação UV à temperatura ambiente por 20 minutos. A etapa final foi lavar o filme em água deionizada e irradiar com UV por 5 minutos para reduzir os íons Ag + residuais.

Durante a irradiação ultravioleta, a amostra ficou cinza-marrom, devido à absorção localizada da ressonância plasmônica superficial dos nanoporos de prata depositados. As propriedades ópticas e a morfologia das nanoestruturas da amostra foram obtidas usando um espectroscópio UV-2600 UV e um microscópio eletrônico de varredura.

Experimento fotoeletroquímico

Esta experiência foi realizada à temperatura ambiente usando um potenciostato (um dispositivo para monitorar automaticamente o potencial do eletrodo e suportar seu valor predeterminado). Para o experimento, uma configuração padrão de três eletrodos foi usada:

• vidro de óxido de estanho - eletrodo de trabalho;
• Ag / AgCl (eletrodo de cloreto de prata) - eletrodo de referência;
• preto platinado é o contra-eletrodo.

A iluminação foi fornecida por uma lâmpada Hayashi LA-410 xenon com uma intensidade luminosa de 20 mW / cm ² . As medições foram realizadas em um eletrólito de Na2SO4 0,5 M (sulfato de sódio) com um nível de pH de 5,8.

Processo de gravação holográfica

A grade de difração foi registrada usando um feixe de laser s-polarizado coerente (532 nm, 714 mW / cm2). O ângulo de interseção dos raios de gravação foi ajustado em 10 graus. A densidade de potência dos feixes de gravação era a mesma e era de 57 mW / cm ² . Um laser vermelho gerando luz polarizada s de 671 nm foi usado para monitorar a dinâmica da grade holográfica. Uma densidade de potência de 671 nm do laser foi estabelecida em 7 mW / cm2 para minimizar o efeito destrutivo da radiação de leitura, o que leva a reações fotoquímicas. O sinal de primeira ordem difratado foi gravado em um fotodiodo acoplado a um computador. A eficiência de difração das grades holográficas pode ser definida como a razão entre as intensidades do feixe de difração de primeira ordem e do feixe incidente após a passagem pela amostra.


Aparência do sistema

Além disso, um dos feixes de gravação foi expandido após o filtro espacial, colimado para passar pela máscara e focado no centro do filme nanocompósito Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ . Outra viga foi direcionada na mesma direção que a referência. As imagens holográficas reconstruídas foram coletadas usando uma câmera de vídeo CMOS. Um laser vermelho (671 nm) foi utilizado como teste para leitura de uma imagem holográfica.


Um diagrama simplificado do ajuste óptico de uma gravação holográfica, em que:

M - espelho - espelho;
BS - divisor de feixe - divisor de feixe;
F é a lente;
BE - expansor de feixe - expansor de feixe;
PD - fotodiodo - fotodiodo;
Amostra - amostra;
Máscara - máscara.

Resultados do teste

Nas mãos do pesquisador está a mesma amostra usada nos testes

Abaixo estão gráficos e instantâneos dos resultados do teste com uma descrição. Para um estudo mais detalhado, recomendo que você leia o relatório do grupo de pesquisa, que encontrará por referência ou por este link (documento PDF) .

Morfologia do filme e espectros de absorção ultravioleta

Imagem No. 3

As imagens (a) e (c) mostram imagens SEM superficiais e transversais de um filme de óxido de titânio com moléculas de ácido fosfofungstênio (PW ₁₂ ). E nas imagens (b) e (d), um filme de óxido de titânio sem componentes adicionais. A espessura de cada uma das amostras é de 620 nm. Uma amostra com PW12 mostra uma distribuição de nanoporos de prata significativamente mais baixa (cerca de 14,7 nm) do que uma amostra sem PW ₁₂ (cerca de 21,2 nm). Essa diferença pode ser devido à inibição da agregação de nanoporos de prata sob a influência da radiação UV.

Utilizando aceitadores, os nanoporos de prata plasmônicos (inferiores a 30 nm) ocupam cerca de 98% da fração de volume, o que é um indicador muito bom para alcançar um alto nível de eficiência e velocidade de fotocromismo (e) . E nanoporos de prata mais amplamente distribuídos (de 4 a 52 nm) foram obtidos por contato direto deste metal com um filme de óxido de titânio (f) .

Além disso, a concentração de nanoporos no filme Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ é de 7,94 ~ 109 / cm ² , que é menor do que a do filme Ag / TiO ₂ (~ 9,42 ~ ~ 109 / cm ² ).


Imagem No. 4:
(a) Esquema mostrando uma diminuição nos nanoporos de prata nos filmes PW ₁₂ TiO ₂ e TiO ₂ devido à exposição aos raios UV.
(b) Espectroscopia de um filme de Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ e um filme de Ag / TiO ₂ em um substrato de vidro (base) na faixa de UV.

Entre outras coisas, o uso do PW ₁₂ fornece canais de transporte eletrônico adicionais nos processos de deposição fotocatalítica e transferência de elétrons (a) . Os elétrons fotogenerados de TiO _{2 são} distribuídos e alguns deles podem ser transferidos para PW ₁₂ sob excitação por UV, o que efetivamente retarda a deposição de nanoporos de prata. O efeito de atraso testado nos espectros de absorção de UV da amostra de Ag / PW ₁₂ / TiO2 foi de ~ 0,95 e o da amostra de Ag / TiO2 foi de aproximadamente ~ 1,38 (b) .


Imagem nº 5:
(a) Uma varredura linear de voltamogramas de elétrons PW ₁₂ / TiO ₂ e elétrons de TiO ₂ (varredura a uma velocidade de 10 mV / s). A inserção (canto inferior direito) mostra os resultados do teste no escuro.
(b) Processo de transição eletrônica em um filme de Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ quando exposto à radiação UV.

Modulação de fotocromismo reversível

Imagem 6: Absorção diferencial dos filmes Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ (a) e Ag / TiO ₂
(b) irradiados alternadamente com luz verde (532 nm, 57 mW / cm ² ) e radiação UV (360 nm, 71 mW / cm ² ). Alterações na absorção de Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ © e Ag / TiO ₂ (d) mediante exposição alternada à radiação verde e UV.


Imagem No. 7: Eficiência de difração de primeira ordem de grades holográficas em um filme Ag / PW ₁₂ / TiO ₂ (a) e em um filme Ag / TiO ₂ (b) quando exposto ao (s + s) feixe verde (gravação) e feixe UV (apagamento) ) por quatro ciclos.

Resultados dos Pesquisadores

O uso da tecnologia holográfica permite escrever e ler milhões de bytes de cada vez, o que é várias vezes mais rápido do que quando se usa mídia de armazenamento óptico e magnético. Outra vantagem importante dessa tecnologia é a gravação de dados em forma tridimensional, que permite armazenar mais dados em uma mídia cujo tamanho real não aumenta. De certa forma, esse é o uso mais eficiente do espaço.

O maior problema são os efeitos nocivos da radiação UV, que brega apaga dados da mídia. No entanto, os pesquisadores conseguiram lidar com essa dificuldade. É para esse fim que materiais como prata e óxido de titânio foram utilizados. Usando um laser, as partículas de prata foram convertidas em cátions de prata com uma carga positiva devido a elétrons adicionais.

Um dos pesquisadores, Shencheng Fu , diz o seguinte sobre isso:

Descobrimos que a radiação UV pode apagar dados porque faz com que os elétrons se movam de um filme semicondutor para nanopartículas de metal, causando a mesma conversão de fótons que um laser. A introdução de elétrons que “atraem” moléculas levou alguns elétrons a transferir do semicondutor para essas moléculas, reduzindo as propriedades de apagamento da radiação UV e criando um meio de armazenamento de dados de alta densidade ambientalmente sustentável.

A importância dos nanoporos reside em sua capacidade de permitir que nanopartículas, moléculas que atraem elétrons e um semicondutor interajam entre si. E o tamanho incrivelmente pequeno das moléculas que atraem elétrons permite que eles se fixem dentro dos poros sem afetar sua estrutura. As dimensões finais do filme eram de apenas 620 nanômetros de espessura.

Os resultados do teste mostraram que os dados podem ser gravados em um novo filme, mesmo com exposição constante à radiação UV. E o uso de moléculas que atraem elétrons forma muitos caminhos de transferência de elétrons, o que melhorou a resposta do material aos raios laser. E isso, respectivamente, significa um aumento na velocidade da gravação de dados. Quanto à velocidade de leitura dos dados, segundo os cientistas, é de cerca de 1 GB / s.

As palavras de Shencheng Fu:

O uso de metais nobres, como a prata, no campo do armazenamento óptico é geralmente considerado um meio de resposta lenta. Demonstramos que o uso de fluxos de transferência de elétrons aumenta a velocidade da resposta óptica das partículas, preservando outras qualidades dessas partículas que são úteis para armazenar dados.

O próximo passo no estudo dessa tecnologia será testar a estabilidade ambiental fora do laboratório, por assim dizer em campo aberto.

Epílogo

Os pesquisadores acreditam em sua inovação. E não em vão, porque eles conseguiram lidar com um problema que existia há muitos anos - os efeitos nocivos da radiação UV. Qual é o objetivo de um portador de informações holográficas, se puder ser usado apenas no escuro, grosso modo. Apesar de seus sucessos, os cientistas dizem que usar seus desenvolvimentos exigirá a criação de leitores de um novo tipo de mídia. E levará muito tempo e ainda mais esforço.

De qualquer forma, como já sabemos perfeitamente bem, qualquer pesquisa (especialmente tão bem-sucedida) tem um tremendo efeito positivo no desenvolvimento da tecnologia como tal. Esperar no futuro próximo por mídias holográficas futuristas do tamanho de um prato de chiclete certamente ainda não vale a pena. No entanto, como lembramos, já há 15 anos ninguém acreditaria que no futuro haveria drives flash cujo volume seria medido não em megabytes, mas em terabytes.

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