Атомно-голографическая технология хранения данных
01.12.2006
Материал взят с сайта http://colossalstorage.net
Перевод осуществлён Харламовой Н.Т. специально для сайта http://novikovmaxim.narod.ru
Техническая редакция — Новиков М.Г.
Предисловие технического редактора (то есть моё)
Аннотация
Введение
Двухмерные и трехмерные атомные голографические устройства хранения
информации
Первый метод считывания/записи ферроэлектрической молекулы
Второй метод считывания/записи ферроэлектрической молекулы
Третий метод считывания/записи ферроэлектрической молекулы
Четвёртый трёхмерный голографический метод считывания/записи
Выводы
Предисловие технического редактора (то есть моё)
Честно говоря, организация материалов на сайте первоисточника, откуда была мной позаимствована эта статья, крайне хаотичная. Одна и та же информация повторяется и перемалывается по многу раз, что наводит на мысль о чрезмерных попытках угодить поисковикам.
Кроме того, в материалах используются заведомо избыточные названия описываемых технологий, в разных местах сайта даются отличающиеся цифры одних и тех же характеристик. Автор также патентует каждый свой чих.
Всё это говорит мне о том, что у автора нет реальной технологии, но он пытается застолбить на будущее все возможные варианты развития технической мысли. И вообще, всё это попахивает большой афёрой.
Однако, я могу ошибаться; вдобавок, приводимая ниже статья даёт определённое представление о возможных дальнейших направлениях технического прогресса в уплотнении записи цифровой информации как для сменных носителей, так и для других видов памяти.
Приведённые здесь чертежи взяты из pdf-файла первоисточника. К сожалению, они, по всей видимости, сканировались с бумаги, и в результате имеют очень низкое качество. Однако на http://colossalstorage.net есть много качественных рисунков и анимации, описывающей данную технологию.
И последнее. Для досконального понимания материала необходимы знания молекулярной физики. Не обладая таковыми можно понять тему лишь в общих чертах, но думаю, что и это тоже будет интересно.
Аннотация
Фирма Colossal Storage получила патент на новые способы бесконтактной записи и считывания с сегнетоэлектрических молекул неразрушающими методами. Эти методы были предназначены для разработки первого в мире двух/трёхмерного голографического запоминающего устройства. Патенты США № 6028835 2/00 и № 6046973 4/00 для интегрированной головки чтения/записи в сегнетоэлектрической оптической среде.
Введение
Впервые в истории была объяснена концепция изготовления лазерного полупроводникового компонента, предназначенного для считывания/записи данных на дисковом устройстве с оптическим голографическим приводом. Этот новый подход никогда не использовался ранее. Технология сегнетоэлектрического трёхмерного голографического оптического привода должна обеспечить в будущем плотность хранения оптических данных до 40000 Терабит на кубический сантиметр. В настоящее время эта цифра для обычного двухмерного магнитного жесткого диска — около 60 Гигабит, для двухмерных оптических приводов — до 45 Гигабит на квадратный дюйм, контактная запись в атомно-силовом микроскопе и его производных (сканирующий тоннельный микроскоп, сканирующий зондовый микроскоп, сканирующий силовой микроскоп) — 300 Гигабит на квадратный дюйм.
Двухмерные и трехмерные атомные голографические устройства хранения информации
Голографический оптический привод будет использовать Теорию Эйнштейна/Планка квантово-электронной энергии для управления свойствами молекулы посредством перемещения электронов атома (рис. 12, 14, 17).
В сегнетоэлектрическом приводе — сегнетоэлектрической полупроводниковой головке, объединённой с оптической головкой чтения/записи, планируется использовать безлинзовые лазерные диоды ультрафиолетового/синего спектра с преобразователем напряжения и новый элемент, под воздействием фотонов переключающий электрическое поле молекулы — для записи, лазерный диод ультрафиолетового/синего спектра, нанооптический транзистор или канальный полевой униполярный МОП-транзистор с наноплавающим затвором — для чтения. Необходимо произвести исследование и разработку методов управления сегнетоэлектрическими свойствами перовскитового диполя для осуществления записи, хранения и стирания информации в нанокристаллическиих запоминающих устройствах. Методы могли бы быть использованы для управления быстрым чтением/записью сегнетоэлектрической молекулы, т.е. атомного переключателя (рис. 13, 15, 16), которые обладают сроком службы 100 и более лет.
Увеличение плотности записи и скорости передачи данных между любым устройством хранения данных и системой потребует увеличения ширины канала передачи данных. Еще много запатентованных голографических методов и процессов концептуализированы для будущих разработок и исследований.
Первый метод считывания/записи ферроэлектрической молекулы
Для записи периферийный привод использует источник ультрафиолетового или синего света с преобразователем ориентации электрического поля. Считывание производится вторым источником ультрафиолетового или синего света, который дифрагирует/рефрагирует в сегнетоэлектрическом диполе молекулы перовскита, и попадает на нанооптический фотодиод, который способен улавливать небольшие изменения в дифракции света, происходящие в этой сегнетоэлектрической молекуле (рис. 2).
Запись производится путем освещения молекулы ультрафиолетовым или синим светом, после чего молекула сегнетоэлектрика поглощает энергию фотонов света, возбуждая свои валентные электроны и переводя их с орбиты валентности на орбиту проводимости (рис.1).
Преобразователем ориентации электрического поля к молекуле прикладывается магнитное поле. Если поле имеет положительный потенциал, электроны сдвигаются к преобразователю, когда отрицательный — от него. После того как источник ультрафиолетового или синего света и преобразователь ориентации электрического поля выключаются, сегнетоэлектрическая молекула остается в ориентированном состоянии и сохраняет свой положительный или отрицательный потенциал электрического поля (рис.3).
Помимо поляризации молекулярный или атомный переключатель меняет и свою геометрическую форму — удлиняется или укорачивается на 1,5 %. Хранимая в памяти разность потенциалов электрического поля (напряжение) сегнетоэлектрической молекулы изменяется надолго, пока снова не включается ультрафиолетовый или синий лазер и внешнее поле, которое переориентирует направление разности потенциалов. При изменении электрической полярности диполя сегнетоэлектрической молекулы физически изменяется её проницаемость, дифракция, поверхностная морфология/топография, непрозрачность, флюоресценция, радужность, опалесценция и характеристики преломления света. Чрезвычайно малый размер информационной точки при использовании этой технологии может составлять 300 ангстрем и менее. Таким образом, с использованием структуры интегрированной оптической головки можно достигнуть плотности 40 Гбит на квадратный дюйм или 40 Петабит на кубический сантиметр.
Второй метод считывания/записи ферроэлектрической молекулы
Второй метод реализуется с помощью МОП-транзистора с плавающим затвором, способного определять малейшие изменения электрического поля сегнетоэлектрической молекулы (рис.4).
Электростатическое поле сегнетоэлектрической молекулы ощущается МОП-транзистором. Считанное на его выходе напряжение эквивалентно записанным в сегнетоэлектрической молекуле данным и равно напряжению питания МОП-транзистора плюс (или минус) зафиксированной напряжённости сегнетоэлектрической молекулы. МОП-транзистор является читающим устройством, не разрушающим электрический потенциал сегнетоэлектрической молекулы (рис.5).
Считанное на выходе напряжение эквивалентно записанным в сегнетоэлектрической молекуле данным и равно напряжению питания МОП-транзистора плюс (или минус) зафиксированной напряжённости сегнетоэлектрической молекулы, то есть 1,0 Вольт -/+ X Вольт = записанные данные, где X — разность потенциалов. Впервые в истории возможно использование головки Томаса для записи и считывания двухсторонних дисков, лент, карт, плёнок и барабанов, имеющих один или несколько слоёв сегнетоэлектрической молекулярной среды (рис.6).
Третий метод считывания/записи ферроэлектрической молекулы
Известно, что сегнетоэлектрическая молекулярная запись работает при участии ультрафиолетового или синего света (теорема Энергии Эйнштейна/Планка). В дальнейшем воздействие на молекулу электрического поля изменяет такие сегнетоэлектрические молекулярные свойства, как проводимость, а также другие электрические свойства. Отключение источника света и электрического поля оставляет сегнетоэлектрическую молекулу с измененным состоянием электрического потенциала, который сохраняется. Считывание может осуществляться посредством второго источника синего или ультрафиолетового света, который заставляет электроны диполей сегнетоэлектрической молекулы перовскита перепрыгивать с одной орбиты на другую (рис.7).
Атомные постулаты Нильса Бора утверждают, что электроны, возбужденные светом, останутся на своих высоких энергетических орбитах. Ультрафиолетовый или синий свет определённой частоты и квантовой энергии возбуждает электроны сегнетоэлектрической молекулы, заставляя их перейти на другие более высокие орбиты, а когда источник ультрафиолетового или синего света выключается, они возвращаются на свои обычные низкоэнергетические орбиты. Ориентация сохранённого внутреннего диполя (остаточное смещение центральных атомов) в дальнейшем усиливает потенциал электрического поля любого электрона высокой орбиты, как положительный так и отрицательный, в зависимости от положения диполя в сегнетоэлектрической молекуле и расстояния от источника ультрафиолетового или синего цвета, интегрированного в головку чтения/записи. МОП-нанотранзистор способен обнаруживать малейшие изменения потенциала электрического поля сегнетоэлектрической молекулы, когда источник ультрафиолетового или синего света сфокусирован на сегнетоэлектрической молекуле перовскита. Выключение второго источника ультрафиолетового света (квантовая энергия, характеризуемая как низкая, не инициирует перемещение электронов в зону проводимости) возвращает сегнетоэлектрическую молекулу в её прежнее состояние хранения электрического поля. Таким образом, имеются 3 состояния: подвергаемые воздействию света положительные электрические поля, неподвергаемые воздействию света электрические поля и подвергаемые воздействию света отрицательные электрические поля. Можно сделать так, чтобы сохранённый потенциал электрического поля сегнетоэлектрической молекулы отражал по крайней мере 4 состояния электростатического поля, которые способны представлять бинарную информацию. Двухсторонние диски и ленты могут быть получены путём разделения слоёв сегнетоэлектрического молекулярного покрытия пластиковой, металлической, стеклянной или керамической подложкой.
Четвёртый трёхмерный голографический метод считывания/записи
Метод чтения/записи, использующий интерференцию и дифракцию фотонов света при прохождении через внутренние атомы молекулы вероятно предполагает наивысший потенциал в области хранения данных (рис.12, 13).
Патенты Томаса, касающиеся опроса электрического поля воздействием фотонов, позволяют осуществить чтение записанных в трехмерном объёме данных, когда чтение записи производится лучом когерентной волны определённой частоты, которая в результате дифракции, вызванной одним из двух положений ядра в центре сегнетоэлектрической молекулы, вызывает яркие или тёмные участки интерференции, образующиеся лучами, совпадающими по фазе или находящимися в противофазе. Отношение сигнала к шуму будет достаточно высоким и плотность данных теоретически может достигать свыше 40 Петабит на кубический сантиметр. Используя внутренний диполь (2 электрических состояния атомного переключателя) молекулярной структуры сегнетоэлектрической молекулы, теория Томаса может предложить неразрушающий метод чтения молекулы диполя (рис.8).
Фототранзистор или диод читает интерференсные картины (светлые и тёмные линии), которые сравниваются с сохранёнными голограммами. Таким образом могут быть легко достигнуты объёмы голограммы в 100 и более Гигабит (рис.10, 15).
Для записи на молекулу используется ультрафиолетовый лазерный диод с частотой световой волны 1*1015 Гц и преобразователь электрического поля с частотой обработки данных 10 ГГц и выше, а также дополнительный второй лазерный диод для увеличения мощности записи, если это необходимо (рис.9, 11, 14, 17).
При чтении страницы сохранённых данных возможно считывать по 400 молекул (бит) с 200-нанометрового пятна ультрафиолетового света или 50800000 бит с дюйма при плотности дорожек свыше 25000000 дорожек на дюйм (рис.16).
Сегнетоэлектрические нелинейные фотонные кристаллы с запрещенной зоной дают возможность контролировать и манипулировать светом ультрафиолетового и синего диапазона. Маленький размер сегнетоэлектрической прозрачной структуры делает возможным строить нанооптические приводы в виде объемных голографических накопителей, имеющих как положительный так и отрицательный индекс рефракции.
Способность управлять дифракцией ультрафиолетового света делает сегнетоэлектрик перовскит нелинейно оптическим фотонным материалом, очень привлекательным для исследования и разработки трехмерных голографических оптических накопителей. К тому же, структура сегнетоэлектрического нелинейного фотонного кристалла обеспечивает возможность бесконечного количества перезаписи в устройстве долговременного хранения информации.
Уникальные свойства сегнетоэлектрических молекулярных материалов наряду с решением задач проектирования, оптимизации, производства и испытаний, произведут коренной перелом в технологии объёмных голографических оптических накопителей, что даст дорогу дальнейшим всесторонним исследованиям и разработкам в сфере сегнетоэлектрических голографических материалов и накопителей.
Все другие известные попытки перезаписываемых голографических накопителей используют электронные облака для сохранения данных, и в результате достигают только однократной записи при множественном считывании. Colossal чувствует, что этот метод никогда не сможет преодолеть атомную теорию электронного возвращения Нильса Бора и поэтому этот тип технологии записи Брэгг-Комптоновского рассеивания обычно имеет разрушающее считывание и короткий срок хранения данных, подобно пространственной технологии спектрального отверстия.
Все другие технологии голографического хранения используют пространственный световой модулятор который записывает единовременно целую страницу данных. В пространственный световой модулятор данные должны загружаться последовательно, и любая ошибка в последовательной загрузке данных приводит к повторению всей операции, что увеличивает время. Этот метод хорош для накопителей, хранящих единожды записанные данные, но когда ежедневно в реальном времени приложения удаляют, записывают и считывают произвольные фрагменты данных с диска, концепция пространственного светового модулятора становится неоптимальна.
Метод записи/считывания, предложенный Colossal Storage, подобен миллиардам вертикальных страниц, сгенерированных пространственно-световым модулятором в одной перезаписываемой сегнетоэлектрической дорожке, а каждый диск имеет около миллиона дорожек. Представьте себе миллиарды пространственно-световых страниц на диске, где данные записываются и считываются побитно, побайтно и пословно, каждый раз точно, с атомной скоростью.
Выводы
В будущем сегнетоэлектрический атомный голографический оптический привод будет работать с огромным двусторонним диском или лентой, производя неразрушающее чтение или запись для хранения данных свыше 100 лет с плотностью 40000 терабит на кубический сантиметр и выше. Это позволит голографическому оптическому нанотехнологическому устройству хранить больше данных, чем любой другой тип привода и быстрее осуществлять доступ к ним. Патенты на полупроводниковую головку чтения/записи для сегнетоэлектрического оптического накопителя в перспективе позволят поднять плотность в 100 и более раз, вместимость диска в 1000 раз, и скорость передачи данных свыше 100 Терабит в секунду.
