Doorbraak: 1000 terabyte op dvd nu mogelijk

DVD’s raken uit de mode, omdat ze qua capaciteit hopeloos achterblijven bij andere opslagmedia. Met een nieuwe techniek, die het mogelijk maakt een verbijsterende petabyte (1000 maal een gangbare hard disk) op een DVD op te slaan, gaat daar vermoedelijk verandering in komen. Met verstrekkende gevolgen. Kunnen we straks een backup van ons brein op een dvd branden?

DVD uit de tijd
Als student kocht ik mijn eerste pc met een harde schijf van veertig megabyte. Naar hedendaagse begrippen is dat maar weinig – ik was een groot deel van de tijd bezig om plaats te maken op dat krappe ding. Geen wonder dat toen de eerste cd-rom spelers op de markt kwamen, ik deze snel in wilde bouwen. De cd-rom had met 600 MB maar liefst vijftien keer zoveel opslagruimte als mijn harde schijf. Nu liggen harde schijven qua capaciteit rond de terabyte, dat is een miljoen megabyte oftewel iets van 25.000 maal zo veel als mijn veelgeplaagde harde schijf van weleer. Toch is de capaciteit van de opvolger van de cd-rom, de dvd, nauwelijks gegroeid: de allerbeste quadruple Blu-Ray dvd’s halen nu met pijn en moeite 128 gigabyte. Dat is iets meer dan ongeveer 200 maal zoveel als de allereerste cd-rom. Waarom zijn optisch leesbare media,zoals cd-roms en dvd’s, zo hopeloos achtergebleven?

Diffractielimiet omzeild
Dit heeft alles te maken met de zogeheten diffractielimiet. Licht, zoals alle elektromagnetische straling,  bestaat uit fotonen, die een zekere golflengte hebben. Bij zichtbaar licht ligt deze rond de 400 (blauw-violet licht) tot 700 (rood licht) nanometer. Golven  (fotonen zijn golfpakketjes) buigen om voorwerpen heen, die kleiner zijn dan de golflengte. Dit betekent dat in zichtbaar licht voorwerpen die kleiner zijn dan 400 nanometer, zoals kleine virusdeeltjes, zelfs met de allerbeste klassieke optische microscoop niet waargenomen kunnen worden. Elektronenmicroscopen kennen dit probleem minder. De golflengte van elektronen is afhankelijk van hun snelheid en ligt bij elektronenmicroscopen typisch in de orde van picometers, duizenden malen kleiner dus. Hierdoor kunnen elektronenmicroscopen haarscherpe detailfoto’s maken van bijvoorbeeld gevriesdroogde bacteriën. De scanning tunneling elektronenmicroscoop werkt via kwantumtunneling en kan zelfs individuele atomen zichtbaar maken.

In het eerste decennium van de 21e eeuw zijn er technieken ontwikkeld om toch onder de diffractielimiet te kunnen werken. Het geheim: lenzen met een negatieve brekingsindex. Vandaar dat tegenwoordig natuurkundigen een stuk minder onder de indruk zijn van diffractielimieten dan vroeger en met succes allerlei foefjes ontwikkelen om hier onderuit te komen. Zo zijn de vlekjes op een moderne blu-ray disc 150 nanometer groot.  Door  verschillende lagen te stapelen, kunnen experimentele blu-ray discs toch wat meer data bevatten.

Dichtheid van 1000 terabyte
Een groep van vier onderzoekers heeft nu een methode ontwikkeld om met zichtbaar licht een ‘brandpunt’  te ontwikkelen dat slechts negen nanometer in doorsnede is. Dit is ongeveer honderd atomen breed en meer dan 225 maal zo klein als de putjes op een dvd. Het systeem maakt gebruik van het samenvoegen van twee bundels, elk zo breed als de diffractielimiet. Eén bundel is de ‘schrijfbundel’, die vrijwel geheel uitgedoofd wordt door de tweede donutvormige ‘anti recording’ bundel. Alleen in het exacte centrum van de donut, plm. 9 nm breed, kan de bundel daardoor schrijven. Hierdoor kunnen er meer dan vier ordes van grootte zoveel puntjes op een laag en kunnen  de lagen veel dichter op elkaar gestapeld worden. Het resultaat is de verbijsterende opslagcapaciteit van 1000 TB, duizend maal zoveel als op een (anno 2013)  moderne harde schijf past.

Hoeveel is 1000 TB?
Duizend terabyte is voldoende om tienduizenden hoge-resolutie videofilms op te slaan; voldoende om meer dan tien jaar continu video’s te kijken. Op één enkel schijfje kan het genoom van meer dan 1 miljoen mensen, de bevolking van een klein land, worden opgeslagen. Qua informatiedichtheid leveren onze ogen verreweg de grootste hoeveelheid informatie van al onze zintuigen. Als een informatiemedium in staat is om letterlijk alles wat we zien op te slaan, wordt hiermee in feite de informatie van de menselijke geest opgeslagen. Uiteraard slaan we geen letterlijke beelden in ons brein op, maar patronen, wat de nodige opslagruimte bespaart. Daar staat tegenover dat we die patronen onderling met elkaar in verbinding brengen.
Psycholoog Paul Reber van de Amerikaanse Northwestern University schat dat ons brein rond de 2,5 petabyte (dit is 2500 TB) aan informatie kan opslaan. Deze schatting (die mensen als futuroloog Ray Kurzweil te hoog  achten) verschilt minder dan een orde van grootte (factor tien) van de capaciteit die met deze nieuwe opslagtechniek bereikt kan worden. Kortom: realisatie van het idee om een backup van onze geest te draaien voordat we bijvoorbeeld een halsbrekende stunt uithalen, komt steeds dichterbij.

Bronnen
Z. Gan et al., Three-dimensional deep sub-diffraction optical beam lithography with 9 nm feature size, Nature Communications (2013)