Физики КФУ нашли способ сверхплотной записи оптической информации
Запись и хранение больших объемов информации (big data) представляют собой одну из актуальных и масштабных задач XXI века. Растущий спрос на физические носители информации стимулирует ученых всего мира проводить поиск новых физических принципов для разработки и внедрения оптических технологий сверхплотной записи данных. Тематика "Технологии и системы хранения информации" включена в межведомственную программу исследований и разработок в области фотоники на 2017-2020 годы, утвержденную Министерством образования и науки Российской Федерации (протокол заседания президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России от 9 июля 2014 г.)
Учитывая экспоненциальный рост данных - к 2020 году ожидается увеличение объема информации до десятков зетабайт (1 Зб = 1021), - необходим поиск новых физических принципов, позволяющих использовать отдельные атомы или молекулы в качестве элементарных ячеек памяти. Это может быть сделано с помощью лазерного света. Однако традиционные методы записи и хранения оптической информации ограничены дифракционным пределом (~500 нм), поэтому максимальная плотность записи не превышает ~1 Гб/дм2 (оптические диски CD, DVD).
Обойти это ограничение возможно, если использовать локализованный или сильно сжатый лазерный свет. С его помощью можно управлять пространственной ориентацией отдельных молекул. Такая локализация света позволит в перспективе достичь сверхвысокой плотности записи оптической информации до ~1 Пб/дм2. Это значит, что на одном таком диске можно будет записать объем информации, который сегодня можно записать на миллионе DVD дисках, и если сложить все такие диски вместе, их протяженность составит примерно 2 км. С другой стороны, увеличение хранилища дата-центров до ~Пб (1015) на основе жёстких дисков HDD приведет к созданию дата-центра размером с футбольное поле.
Управление светом за пределом дифракции с помощью оптических наноантенн или микро/нанорезонаторов лежит в основе трех научных направлений, таких как: тугоплавкая плазмоника, органическая фотовольтаика и ближнеполевая оптическая память, которые активно развиваются в научно-исследовательской лаборатории Казанского государственного университета "Нанооптика" под руководством доцента Сергея Харинцева. Оптические антенны существенно расширили функциональные возможности оптической микроскопии.
Благодаря субдифракционной локализации и гигантскому усилению оптического поля сегодня активно развивается спектроскопия и микроскопия одиночных молекул. Научная группа Сергея Харинцева успешно использовала этот подход для развития ближнеполевой технологии сверхплотной записи оптической информации. Результаты их исследований были недавно опубликованы в высокорейтинговом журнале [Nanoscale (2016), doi: 10.1039/C6NR07508H, IF=7.8]. В этой работе авторы предложили новый физический принцип записи и хранения оптической информации, основанный на гигантском комбинационном рассеянии света.
Усиление и локализация лазерного света обеспечиваются оптической наноантенной, которая освещается сильно-сфокусированным лазерным пучком с продольной и поперечной поляризацией. Этот подход был развит на основе исследований субволновой оптической анизотропии азо-полимерных пленок, которые были проведены сотрудниками лаборатории «Нанооптика» в рамках Программы повышения конкурентоспособности КФУ в 2014-2015 гг. [ACS Photonics 1(10), 1025?1032 (2014), IF=5.4]. Под действием поляризованного света азо-красители ориентируются во всех направлениях, перпендикулярных направлению поляризации. В случае сильно-сжатого оптического света эта задача не является тривиальной, поскольку поляризация ближнего поля зависит от геометрии и материала оптической антенны [Physical Review B 92, 115113-1 (2015) IF=3.7)].
Переключение между продольной и поперечной поляризацией позволяет записывать оптическую информацию в полосе поглощения красителя и считывать информацию за ее пределами. Скорость переключения между двумя состояниями зависит от локальной подвижности красителей в полимерной матрице, которая для тонких пленок критически зависит от их толщины. Авторы планируют в перспективе создать прототип органической ближнеполевой оптической памяти с ёмкостью до 100 Тб/дм2. Дальнейшее развитие субдифракционной оптической технологии будет связано с использованием лазерных пучков с орбитальным моментом, которые позволят дополнительно увеличить плотность записи в несколько раз.
