Datenspeicher Jenseits der blauen Strahlen

Wer von fünf Dimensionen spricht, ist entweder Star-Trek-Fan oder Mathematiker oder beides. Das könnte sich ändern, wenn erst einmal fünfdimensionale Datenspeicher in unseren Rechnerlaufwerken stecken. Denn so einer existiert tatsächlich - im Labor. Forscher der Swinburne University im australischen Melbourne haben ihn entwickelt und ihre Erfindung gerade in Nature veröffentlicht. Neben den drei räumlichen Dimensionen nutzen sie Spektralfarbe und Polarisationsrichtung von Laserlicht als zusätzliche Speicherdimensionen. Spektakuläre 1,6 Terabyte sollen damit auf eine Scheibe in DVD-Größe passen, das 340-fache dessen, was eine DVD fasst. Damit überträfe die 5-D-Disc jede andere optische Speichertechnik.

Ein neuer Weg

"Das ist neu, ganz neu, sowohl technisch als auch wissenschaftlich", sagt Susanna Orlic. Die Professorin am Institut für Optik der TU Berlin meint das nicht nur als Kompliment. Die Idee ist originell, will sie damit sagen, steckt aber noch ganz tief in den Kinderschuhen. Auch sie arbeitet an einem optischen Datenspeicher der Zukunft, der Hologramm-Disc - seit zehn Jahren.

Fest steht: Der Nachfolger der Bluray Disc, des jüngsten Produkts auf dem Markt der optischen Datenspeicher, wird technisch etwas völlig anderes sein. Denn das Prinzip, auf dem von der CD bis zur Bluray alle optischen Speicher basieren, ist ausgereizt. "Bei den zweidimensionalen Medien, also DVD oder Bluray, ist man an die physikalische Grenze gestoßen, da geht nichts mehr", sagt Orlic.

Bisher galt: Verdichten in einer Dimension

Das Prinzip dieser Speicher ist simpel: In die Oberfläche einer Kunststoffschicht sind Muster aus Vertiefungen, sogenannten Pits, eingefräst, die von einem Laser ausgelesen werden. Um mehr Daten auf demselben Raum unterzubringen, müssen die Pits kleiner werden. Nichts anderes ist seit der Markteinführung der Compact Disc (CD) im Jahr 1982 geschehen. Bis auf 50 Gigabyte bei der Bluray hat man es damit gebracht. Bei der CD waren es 700 Megabyte.

Um die immer schmaleren Spuren auslesen zu können, benötigte man Laser mit immer kurzwelligerem Licht. Bei der Bluray Disc ist man bei ultraviolettem Licht angelangt und damit an der Grenze des sichtbaren Spektrums. "Diese Pits kann man jetzt nicht mehr kleiner machen, weil sie mit sichtbarem Licht dann nicht mehr lesbar sind", sagt Orlic.

Multilayer: Schicht über Schicht

Um noch mehr Speicherplatz zu schaffen, ist Einfallsreichtum gefragt. Die naheliegende Idee: Man geht in die dritte Dimension. Multilayer heißt das im Jargon, also mehrere Datenschichten übereinander. Die Hologrammtechnik ist dafür hervorragend geeignet: 75 Datenlagen konnte Susanna Orlic im Labor schon übereinander stapeln. Einen Prototypen mit einem halben Terabyte Speicherplatz auf DVD-Größe stellte sie 2007 vor, ein ganzes Terabyte ist auf jeden Fall möglich.

Die Hologrammtechnik gilt heute als Kronprinz für die Nachfolge der Bluray. Von allein ging das natürlich nicht. "Wir hatten da ordentlich Manpower, und unsere Mittel waren auch nicht gerade bescheiden", sagt Orlic. Zwei bis drei Millionen Euro, Haushaltsmittel nicht eingerechnet, sind schon in die Entwicklung geflossen, und die Liste der kooperierenden Universitäten und Unternehmen ist lang.

Speichermedium: Goldnanostäbchen

Die Entwicklung aus Australien kommt dagegen geradezu hemdsärmelig daher. Hinter dem Projekt steckt kein millionenschweres Konsortium, und es läuft an einer Uni, die kaum jemand kennt. Auf der Publikation stehen nur drei Autoren, Peter Zijlstra, James Chon und Min Gu - im Wissenschaftsbetrieb ist das fast schon ein Solo.

Die entscheidende Idee kam den Australiern vor sechs Jahren, als sie auf der Suche nach Möglichkeiten, Daten in mehr als drei Dimensionen zu speichern, auf Gold stießen. Und zwar im Wortsinne, denn die Speicherschicht ihrer Entwicklung besteht aus Gold. Genauer: aus Goldnanostäbchen.

Nur damit funktioniert der Trick mit den zwei zusätzlichen Dimensionen. Das liegt an einer besonderen Eigenschaft des Edelmetalls. Wenn es als Nanopartikel vorliegt, lässt es sich mit Licht im Rot- und Infrarotbereich anregen. Bei der richtigen Wellenlänge absorbieren die Partikel das Licht und lumineszieren. Das heißt, sie emittieren Photonen. Bei welcher Wellenlänge genau sie das tun, hängt von ihrer Größe und Form ab.

Zwei neue Speicherdimensionen

Sind die Partikel stäbchenförmig, kommt ein Zweites hinzu: Stäbchen sind empfindlich für die Polarisationsrichtung des Lichts. Betrachtet man Licht als Welle, dann schwingt diese senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bei polarisiertem Licht schwingen alle Lichtwellen in derselben Ebene. Je nachdem, ob die Stäbchen längs oder quer zur Polarisationsrichtung des Lichts liegen, mit dem man sie bestrahlt, absorbieren sie es bei unterschiedlichen Wellenlängen.

Diese beiden Eigenschaften des Goldes haben die Australier nicht selbst entdeckt. "Die Selektivität für Wellenlängen war schon lange bekannt", sagt James Chon. "Und wir wussten auch, dass die Stäbchen auf polarisiertes Licht reagieren." Daraus aber zwei neue Speicherdimensionen zu machen, erfordert schon etwas Kreativität. Wie genau funktioniert diese Gold-Disc?

Wellenlängen und Polarisationsrichtungen

Zuerst braucht man dafür Goldnanostäbchen in verschiedenen Größen. Sie werden gemischt und in einer Schicht auf einen Glasträger aufgebracht. Dort liegen sie kreuz und quer in allen Richtungen. Bestrahlt man die Schicht mit polarisiertem Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge, sagen wir von 840 Nanometern, dann absorbieren es nur bestimmte Stäbchen. In diesem Beispiel nur jene, die längs zur Polarisationsrichtung liegen und 50 mal 12 Nanometer groß sind. Alle anderen reagieren nicht.

Ist das Laserlicht schwach, lumineszieren diese Partikel, was sich messen lässt. Ist es stark genug, schmelzen sie und werden rund. Als runde Partikel reagieren sie nicht mehr auf dieselbe Wellenlänge wie vorher. Sie sind für diese Kombination aus Licht und Polarisationsrichtung eliminiert.

Auf diesem Prinzip beruht der Schreibvorgang, bei dem ein Muster in die Schicht geschmolzen wird - für jede Kombination aus Wellenlänge und Polarisationsrichtung ein anderes. Dort, wo das Muster hell ist, wurden alle Partikel, die auf eine bestimmte Kombination reagieren, zerschmolzen. Wenn die Fläche jetzt mit dieser Kombination bestrahlt wird, misst man dort keine Lumineszenz mehr.

Bleibt noch die Entwicklung

Was die Australier veröffentlicht haben, ist allerdings nur der Nachweis, dass dieses Prinzip funktioniert. "Daraus ein anwendbares Speichersystem zu machen ist eine ganz andere Sache", sagt Susanna Orlic. Das oberste Gebot dabei sei die Kompatibilität zu bestehenden Technologien. "Das ist das Erste, wonach alle Industriepartner fragen. Die wollen nicht alles wegwerfen, was sie in den letzten Jahrzehnten entwickelt haben."

Darüber, dass die Idee aus Australien der Holo-Disc die Thronfolge streitig machen könnte, macht sich Orlic keine Sorgen. "Ich war gerade auf dem Kongress für Optical Data Storage", erzählt sie. "Und da hat sich wieder gezeigt: Momentan gibt es keinen anderen Ansatz, der so reif ist für die nächste Generation."

Bis zu 7,3 Terabyte

Andererseits machen sich die Australier keine Sorgen wegen der Holo-Disc. Sie wird zwar zuerst da sein. "Aber es gibt ein Limit, wie viel man damit speichern kann", sagt James Chon. "Und unsere Technologie übertrifft das." Mit ein paar Optimierungen, schätzen die Forscher, könne ihre Disc 7,3 Terabyte speichern.

Bis die Golden-Disc im Regal liegt, dürfte es also noch dauern. Detaillierte Gespräche über fünf und mehr Dimensionen können aber auch Nichtmathematiker schon mal genießen. Der neue Star-Trek-Film ist gerade angelaufen.