Lưu trữ thông tin bằng không gian ba chiều

Lần đầu tiên các nhà khoa học đã thành công trong việc biến một loại vật liệu thủy tinh thành nơi lưu trữ thông tin ba chiều dựa trên công nghệ ánh sáng. Thành tựu này có thể là một bước tiến quan trọng để cung cấp cho cuộc sống thêm một loại vật liệu hữu ích có khả năng chứa hàng terabit dữ liệu (1 terabit tương đương 1.000 gigabits hoặc 125 gigabytes) chỉ trong một cm³.

Công trình này do các nhà khoa học thuộc Đại học Bordeaux 1, một trong bốn trường Đại học ở Bordeaux, Pháp, tiến hành. Công trình được báo cáo lại trong một bài viết trên ấn bản trực tuyến ngày 13 tháng 02 năm 2008 của tờ Optics Letters. Theo nhà vật lý Lionel Canioni, một trong những tác giả bài viết, “Sự cần thiết phải tăng dung lượng chứa dữ liệu của các thiết bị nhớ, cùng với sự phát triển của các công nghệ tỷ trọng cao, đòi hỏi phải sử dụng những hệ thống ba chiều dựa trên quang học.”

Hiện đã có một vài phương pháp thử nghiệm lưu trữ thông tin ba chiều dựa trên quang học. Một phương pháp được dựa trên hiện tượng “photochromism”, hiểu một cách đơn giản là khi một vật liệu có thể thay đổi màu thuận nghịch - một quá trình thay đổi hóa học – khi bị chiếu ánh sáng bức xạ điện từ. Một ví dụ đời thường của sự chuyển đổi này là các tròng kính mát.

Photochromism là một ví dụ của kích thích “đơn-photon”, nghĩa là mỗi photon trong nguồn sáng (ví dụ như tia laser) kích thích một phân tử electron đơn trong vật liệu. Khi những electron này nhanh chóng bị ngưng kích thích, chúng thải ra một photon đơn với mức năng lượng gần tương đương với của photon.

Một phương pháp hứa hẹn khác, của Canioni và cộng sự, bao gồm kích thích nhiều photon – mỗi electron hấp thụ nhiều photon – và vì thế trở nên phức tạp hơn. Vì mỗi electron bị kích thích có thể thu vào nhiều hơn một photon, tia laser tương tác với lượng vật liệu ít hơn. Điều này cho phép khả năng lưu trữ được kích hoạt với phân giải không gian cao hơn trong ba chiều, cho phép mật độ lưu trữ thông tin lớn hơn.

Vật liệu mà nhóm sử dụng là một loại thủy tinh kẽm phốt-phát đặc biệt chứa các ion bạc. Những mẫu này chỉ dày 1mm, không màu và có độ bóng cao. Các nhà nghiên cứu chiếu bức xạ những mẫu này bằng các xung laser ngắn cường độ cao, hội tụ 200 micro-mét (µm, một phần triệu mét). Họ thay đổi năng lượng tia laser và số xung lên các mẫu, ghi lại vùng được chiếu của vật liệu hấp thụ như thế nào và chiếu lại.

Họ chú ý thấy sự bức xạ khiến các phân tử bạc hình thành từng nhóm rất sát nhau với kích cỡ nano so với phân tử. Tại những giá trị năng lượng laser và số lượng xung khác nhau, các chùm bạc này tái thoát ra những tia sáng laser ở một tần suất rất quan trọng – cụ thể là cao gấp ba lần ánh sáng laser, gọi là họa ba bậc ba. Các nhà khoa học sử dụng tia chiếu từ ánh sáng laser cường độ cao để “viết” thông tin lên vật liệu. Cùng một tia này, nhưng với cường độ thấp hơn, được dùng để trích xuất thông tin.

Ở độ sâu 200 µm, nhóm nghiên cứu viết được ba lớp thông tin, mỗi lớp chứa một mạng lưới 12x12 bít, khoảng cách mỗi bit là 3 µm và khoảng cách các lớp là 10 µm (tương đương với 1 gigabit trên mỗi cm). Tuần tự trên các lớp thứ nhất, thứ hai và thứ ba, các nhà khoa học viết các ký tự “U”, “B” và “1” (tức Đại học Bordeaux 1) và sử dụng các bit để hình thành các ký tự.

Họ kiểm nghiệm độ bền của hình ảnh bằng cách thử nhiệt. Chỉ khi tiếp xúc với nhiệt độ 400^oC trong 20 phút các dữ liệu viết mới biến mất khi thủy tinh tái cấu trúc bản thân nó. Sau khi đánh bóng lại các mẫu, thông tin có thể được viết lại. Canioni cho biết “Chúng tôi có thể khẳng định rằng dữ liệu rất ổn định ở điều kiện chuẩn (cho đến 85^oC). Tín hiệu họa ba bậc ba không bị biến đổi, thậm chí sau vài giờ bị nung liên tục.”