Speichern wie Superman

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Ein Femtosekundenlaser schreibt Daten in einen Quarzkristall. Dort sind sie bis in alle Ewigkeit sicher.

Superman steht in seiner Festung der Einsamkeit und weiß nicht weiter. Er nimmt einen der durchsichtigen Kristalle und steckt ihn in die Eislandschaft. Ein Hologramm seiner Mutter Lara erscheint. Superman bittet sie um Rat und sie beantwortet seine Fragen. Denn auf den Eiskristallen ist das gesamte Wissen der zerstörten Zivilisation des Planeten Krypton gespeichert.

Auf den ersten Blick hat das in den Medien als „Superman-Kristall“ bekannt gewordene Speichermedium der Universität Southampton in England damit nur wenig Ähnlichkeit. Bei der Erfindung der Wissenschaftler des Forschungszentrums für Optoelektronik handelt es sich um eine zweieinhalb Zentimeter kleine Scheibe aus nanostrukturiertem Glas.

Hitzebeständig, langlebig, riesiger Speicher

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Die Bibel in fünf Dimensionen auf den Quarzkristall geschrieben. (Foto: University of Southampton)

Doch der Quarz-Chip hat mehrere Gemeinsamkeiten mit der filmischen Fiktion. Dazu gehört sein enormer Speicherplatz auf kleinstem Raum. Er kann perspektivisch bis zu 360 Terabyte Daten speichern – so viele wie 76.000 DVDs zusammen. Zudem hält er Temperaturen bis zu 1.000 Grad Celsius stand. Bei Raumtemperatur ist seine Lebensdauer nahezu unbegrenzt, bei 190 Grad Celsius soll er immerhin noch 13,8 Milliarden Jahre bestehen. Beste Voraussetzungen also, um wichtige Dokumente der Menschheitsgeschichte, wie die Allgemeine Erklärung der Menschenrechte, die Magna Carta oder die Bibel, als kompakte digitale Kopien für viele künftige Generationen zu bewahren. Oder sogar über das Ende der Menschheit hinaus.

Drei Dimensionen: Anordnung im Raum

Wie bei einer gewöhnlichen DVD werden die Datenpunkte dreidimensional im Raum angeordnet: Ein Femtosekundelaser mit einer Wellenlänge von 1030 Nanometern modifiziert kleine Zonen wie winzige Punkte in den Kristall. Jeder der drei Punkte ist entweder beschrieben oder nicht beschrieben – 1 oder 0 – und erhält so je ein Bit Information. Schon allein der winzige Punktabstand von gerade einmal fünf Mikrometern sichert eine große Informationsdichte und damit eine hohe Speicherkapazität.


Hier kommen die Daten auf die Scheibe:


Vierte Dimension: Strukturausrichtung durch Polarisation

Polarisation

Licht ist ein sich ausbreitendes elektromagnetisches Feld. Bei natürlichem Licht sind sämtliche Polarisationsrichtungen wild durcheinander gemischt. Die meisten Laserstrahlen hingegen haben eine gemeinsame Fortsetzungsrichtung − das elektrische Feld schwingt in eine bestimmte Richtung. Der Winkel zur Ausbreitungsrichtung, der sich daraus ergibt, ist die Polarisation. Mit sogenannten Verzögerungsplatten lässt sich der Winkel der Schwingebene – also die Polarisation – gezielt verändern.

Die Forscher gehen aber noch sehr viel weiter und nutzen einen Effekt, den hochintensive ultrakurze Laserpulse haben können: Die Pulse erzeugen eine bestimmte periodische Nanostruktur innerhalb der Matrix des Quarzkristalls. Diese Struktur entsteht nicht etwa gezielt durch Laser-Abrastern, sondern bildet sich durch die hohe Intensität spontan und selbstorganisiert durch die Schwankungen in der optischen Dichte des Kristalls. Wodurch und wie exakt diese Struktur entsteht, ist bis heute nicht genau bekannt, aber es gibt sie.

Und man kann sie nutzen: Denn ihre Ausprägungen sind direkt abhängig von der Intensität und Polarisation des Laserpulses. Indem die Forscher mithilfe einer Verzögerungsplatte die Polarisation variieren, verändern sie die Ausrichtung der Strukturen in den Datenpunkten.

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So sieht die Struktur der Magna Carta auf dem Quarzkristall aus. (Foto: University of Southampton)

Die Wissenschaftler der Universität Southampton wählten vier verschiedene Winkel der Punkt­struktur: 0 Grad, 45 Grad, 90 Grad und 135 Grad. Jeder einzelne Punkt erhält somit vier zusätzliche Zustände, die ausgelesen werden können − das sind zwei zusätzliche Bit Information. Potenziell sind es sogar noch mehr: Die Grenze setzt hier nicht das Lasersystem, sondern das Lesegerät, das die Winkel ausliest.   

Fünfte Dimension: Größe durch Pulsenergie

Doch das ist den Forschern noch nicht genug: Indem sie zusätzlich die Pulsenergie und damit die Pulsintensität in zwei Stufen variieren, beeinflussen sie gezielt die Größe und Dichtenverteilung der Matrixstruktur. So trägt jeder einzelne Datenpunkt ein zusätzliches Bit: große oder kleine Struktur. Auch hier sind die Möglichkeiten noch riesig, denn in der Größe sind natürlich noch viele weitere Abstufungen möglich. Auch hier kommt es auf das Lesegerät an. Im Ergebnis trägt der von den Forschern beschriebene Kristall also vier Bit Information pro Datenpunkt.

Aufbau zur optischen Speicherung der 5D-Daten

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Der Femtosekundenlaser arbeitet mit einer Repetitionsrate von 200 Kilohertz und einer Pulsdauer von 280 Femtosekunden. Ein räumlicher Lichtmodulator verteilt die Lichtstärke auf der Fokalebene und spaltet das einfallende Licht in 256 Strahlen auf. Das Hologramm, das dadurch auf dem räumlichen Lichtmodulator entsteht, wird durch ein optisches 4f-System auf der Rückseite des Objektivs abgebildet. Eine Verzögerungsplatte beeinflusst die Ausrichtung des elektrischen Feldes im Laserstrahl.

Das Ende des Vergessens

Ausgelesen werden die Daten recht simpel mithilfe eines optischen Mikroskops und eines Polarisationsfilters. Derzeit suchen die Forscher nach Partner aus der Industrie, um die Technologie weiter zu entwickeln und zu kommerzialisieren. Im Auge haben sie große Archive, Museen oder Bibliotheken. Bisher mussten solche Organisationen ihren digitalen Datenbestand ungefähr alle zehn Jahre aufs Neue sichern. Mit der Superman-Technik können sie sich diesen Aufwand künftig sparen. Professor Peter Kazansky, der das Projekt leitete: „Der Gedanke ist faszinierend, dass wir die Technologie geschaffen haben, Dokumente und Informationen für künftige Generationen räumlich aufzubewahren. Alles, was wir gelernt haben, wird nicht vergessen werden.“


Superman erklärt, wie sein Kristall funktioniert:


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