Mit fünf Speicherdimensionen vervielfachen australische Forscher die Kapazität von optischen Datenspeichern – Marktreife im nächsten Jahrzehnt erwartet

Prinzip der Terabyte-DVD

Hawthorn (Australien) - Mit bis zu 2000 Filmen könnte in Zukunft selbst eine gut sortierte Videosammlung auf nur eine einzige DVD passen. Für diesen optischen Datenspeicher, dessen Kapazität die besten BluRay-Scheiben um das 200-fache überflügelt, haben nun australische Wissenschaftler die Grundlage gelegt. Zusätzlich zu den zwei Raumdimensionen der flachen Scheiben heute nutzen sie eine Stapelung in die dritte Dimension, drei verschiedene Wellenlängen für das abtastende Laserlicht mit wahlweise senkrechter und horizontaler Polarisation. Ein erstes Labormuster für diese Super-DVD präsentierten sie nun in der Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature".

"Diese zusätzlichen Dimensionen sind der Schlüssel für Datenträger mit einer extrem großen Kapazität", sagt Min Gu von der Swinburn University of Technology in Hawthorn. Zusammen mit seinen Kollegen schmilzt er nicht mehr winzige Speichermulden in einen Kunststoff wie bei der derzeitigen DVD-Technik, sondern richtet filigrane Nanostäbchen aus Gold über kurze Laserpulse entsprechend den digitalen Basiswerten "0" und "1" unterschiedlich aus. Der Trick an der Sache: Die jeweiligen Goldpartikel reagieren selektiv auf drei unterschiedliche Wellenlängen und abhängig von der Polarisationsebene des einfallenden Laserlichts.

In ersten Versuchen erzielten die Forscher eine Speicherdichte von über 1000 Gigabyte pro Kubikzentimeter. Hochgerechnet auf eine Scheibe mit handelsüblichem Durchmesser entspricht das 1600 Gigabyte, etwa 340 mal so viel wie eine normale DVD mit 4,7 Gigabyte Speicherplatz. Der Grund dafür liegt in der resonanten Anregung der Nanostäbchen. Eingelagert in eine einen Mikrometer dünnen Schicht aus Polyvinylalkohol heizen sich die Stäbchen im Licht eines 100 Femtosekunden Laserpuls auf und verformen sich. Beim Auslesen mit einem schwächeren Lichtblitz gleicher Wellenlänge und Polarisation reagiert das Stäbchen abhängig von seiner Form mit einem schwachen Lichtsignal, erzeugt durch das Phänomen der Photolumineszenz.

Gu und Kollegen konnten nun mit drei verschiedenen Wellenlängen (700, 840, 980 nm) und den beiden Polarisationsebenen – horizontal und vertikal – sechs verschiedene Gruppen der Nanostäbchen manipulieren und abtasten. Insgesamt stapelten sie - getrennt durch zehn Mikrometer dicke, optisch transparente Lagen - drei solcher Nanostäbchen-Schichten in ihrem Testaufbau übereinander. Dadurch ließ sich der verfügbare Platz auf dem Datenträger um ein Vielfaches besser ausnutzen. Über die exakte und variable Fokussierung der abtastenden Laserpulse können prinzipiell mindestens zehn Speicherschichten unabhängig voneinander beschrieben und ausgelesen werden ohne dass es zu störenden Wechselwirkungen zwischen den Schichten kommt.

Mit schnell gepulsten Lasern sind Datenraten von bis zu einem Gigabyte pro Sekunde möglich. Daher kann diese Technologie als viel versprechender Kandidat für einen Nachfolger des etablierten BluRay-Formats gelten. Trotz der Verwendung von Gold-Nanostäbchen taxieren die Forscher die Materialkosten pro Datenscheibe auf etwa vier Cent. Dennoch denken sie an einem Einsatz von Silber, um die Kosten noch weiter senken zu können. Für die Entwicklung eines ersten Testlaufwerks arbeiten Gu und Kollegen bereits mit dem Elektronikkonzern Samsung zusammen. Und in fünf bis zehn Jahren rechnen sie mit der Marktreife dieser 5-dimensionalen optischen Speichertechnologie.

Bisher zeichnete sich bei jedem Kapazitätssprung optischer Datenspeicher ein Wettlauf konkurrierender Technologien ab. Auch für den BluRay-Nachfolger trifft dies zu, denn neben der 5D-Technologie sind holografische Speichermedien bereits weit entwickelt. So arbeitet der US-Konzern General Electric an einer Holo-Disk, die eine Speicherkapazität von 500 Gigabyte erreichen und bis zum Jahr 2012 die Marktreife erreichen soll. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Susanne Orlic vom Optischen Institut an der Technischen Universität Berlin. Mit Mikrohologrammen, die sich eng auf einer Datenscheibe gruppieren zielt auch ihre Forschung auf eine Datenscheibe mit mehreren hundert Gigabyte Speichervolumen ab. Neben der Schnelligkeit der Entwickler werden Zuverlässigkeit und Kosten für Datenträger und Lesegeräte wesentlich über den Ausgang dieses Wettlaufs entscheiden.