Den totala mängden data som genereras över hela världen förväntas nå 175 zettabyte (1 ZB motsvarar 1 miljard terabyte) år 2025. Om 175 ZB lagrades på Blu-ray-diskar, stacken skulle vara 23 gånger avståndet till månen. Det finns ett akut behov av att utveckla lagringstekniker som kan ta emot denna enorma mängd data.

Efterfrågan på att lagra ständigt ökande mängder information har resulterat i en omfattande implementering av datacenter för Big Data. Dessa centra förbrukar enorma mängder energi (cirka 3 % av den globala elförsörjningen) och är beroende av magnetiseringsbaserade hårddiskar med begränsad lagringskapacitet (upp till 2 TB per disk) och livslängd (tre till fem år). Laseraktiverad optisk datalagring är ett lovande och kostnadseffektivt alternativ för att möta denna oöverträffade efterfrågan. Dock, ljusets diffraktiva natur har begränsat storleken till vilken bitar kan skalas, och som resultat, lagringskapaciteten hos optiska skivor.

Forskare vid USST, RMIT och NUS har nu övervunnit denna begränsning genom att använda jordrika lantaniddopade uppkonverteringsnanopartiklar och grafenoxidflingor. Denna unika materialplattform möjliggör lågeffekts optisk skrivning av informationsbitar i nanoskala.

En mycket förbättrad datatäthet kan uppnås för en uppskattad lagringskapacitet på 700 TB på en 12 cm optisk disk, jämförbar med en lagringskapacitet på 28, 000 Blu-ray-skivor. Vidare, tekniken använder billiga kontinuerliga våglasrar, minska driftskostnaderna jämfört med traditionella optiska skrivtekniker med dyra och skrymmande pulsade lasrar.

Denna teknologi erbjuder också potentialen för optisk litografi av nanostrukturer i kolbaserade chips under utveckling för nästa generations nanofotoniska enheter.

Inverkan

Optisk datalagring har utvecklats anmärkningsvärt under de senaste decennierna, men den optiska disklagringskapaciteten är fortfarande begränsad till några terabyte.

Den nya sub-diffraktionsteknologin för optisk skrivning kan producera en optisk skiva med den största lagringskapaciteten av alla tillgängliga optiska enheter. Även om framsteg behövs för att optimera tekniken, resultaten öppnar nya vägar för att möta den globala utmaningen med datalagring. Tekniken är lämpad för massproduktion av optiska diskar och kan erbjuda en billigare och mer hållbar lösning för nästa generations högkapacitets optisk datalagring och energieffektiv nanotillverkning av flexibel grafenbaserad elektronik.

Hur det fungerar

Tekniken använder ett nytt nanokompositmaterial som kombinerar grafenoxidflingor med uppkonverteringsnanopartiklar.

Grafenoxid kan ses som ett enda lager av grafit med olika syregrupper. Att reducera grafenoxid genom att eliminera dessa syregrupper producerar ett material som kallas reducerad grafenoxid, som har liknande egenskaper som grafen.

Sub-diffraktionsinformationsbitar har skrivits i nanokompositen med hjälp av uppkonverteringsnanopartiklar för att reducera grafenoxid lokalt vid konstruerad belysning. Reduktionen av grafenoxid inducerades av högenergikvanta genererade i de exciterade uppkonverteringsnanopartiklarna genom en process av resonansenergiöverföring.

Forskarna valde uppkonverteringsnanopartiklar eftersom de möjliggör effektiv sub-diffraktion optisk skrivning med låg laserstråleintensitet, vilket resulterar i låg energiförbrukning och lång livslängd för optiska enheter.