Физики Казанского федерального университета (КФУ) совместно с коллегами из США и Великобритании предложили новый подход к записи и чтению информации на оптических накопителях. Использование сверхтонких полимерных пленок с красителем и усиливающих наноантенн позволяет достигнуть высокой плотности записи данных, которая приблизится к теоретическому пределу для оптических технологий. Об этом они рассказывают в статье, опубликованной журналом Nanoscale.

Стоит напомнить, что большинство синтетических красителей, которые используются в современной промышленности, включают ярко окрашенные ароматические азосоединения. В структуре этих веществ содержатся ароматические кольца, соединенные парой атомов азота через двойную связь -N=N-. Простейший пример – азобензол, в котором азогруппа соединяет два бензольных кольца.

Большой интерес ученых привлекают жидкокристаллические полимеры, к молекулам которых присоединены такие окрашенные ароматические азосоединения (azo-LCN). По словам ведущего автора новой работы, старшего научного сотрудника Кафедры оптики и нанофотоники Казанского федерального университета Сергея Харинцева, интенсивные исследования полимеров, функционализированных азобензолом, ведутся во всем мире уже больше 30 лет. «С точки зрения оптики это крайне интересный объект, фоточувствительный полимер, способный менять конфигурацию под действием света, – рассказал Сергей в интервью для STRF. – На их основе уже созданы прототипы роботов, которые деформируются и движутся под действием лазерного света».

Упорядоченное расположение азогрупп может придавать azo-LCN особые оптические свойства. Это – еще одно направление, в котором развиваются исследования таких полимеров. «В современных средствах связи для превращения одного оптического сигнала в другой используются оптические переключатели – например, на основе кристаллов, размеры которых имеют порядка сантиметра, – объясняет Сергей Харинцев. – Понятно, что велик соблазн использовать оптически активную полимерную пленку толщиной 300 нм и, к тому же, крайне дешевую в производстве». В оптоэлектронике и телекоммуникациях такие инструменты применяются повсеместно, для передачи, обработки и хранения информации.

Казанские физики заинтересовались поведением сверхтонких азо-полимерных пленок, толщина которых не превышает 10 нм. Используя сильно-локализованное электромагнитное поле, ученые научились контролировать положение присоединенных к полимерам азогрупп, ориентируя их либо в плоскости самого полимера, либо перпендикулярно к ней.

Такая возможность позволила им предложить концепцию нового метода записи и чтения информации – с помощью комбинационного рассеяния света.

«Фактически, все существующие сегодня оптические диски, от CD до DVD и Blue-Ray, используют флуоресценцию красителей, – продолжает Сергей. – Сложность в том, что флуоресцентные спектры от двух изомеров достаточно широкие, и их перекрытие ведет к ошибкам при записи/чтении данных. Чтобы избежать этого, можно либо увеличить расстояние между спектральными пиками, либо уменьшить их ширину. Сейчас, с помощью различных ухищрений, ширину спектральных линий удалось довести до нескольких десятков нанометров. Мы же предлагаем совершенно иной подход, в котором высокая плотность записи обеспечивается сильной локализацией оптического поля, а спектральная селективность — благодаря узким спектральным линиям комбинационного рассеяния света».

Комбинационное рассеяние очень широко используется в науке, хотя невысокая интенсивность ограничивает его применение в широкой практике. «Зато спектральные линии такого излучения де-факто в десятки раз более узкие, чем у флуоресценции, – добавляет Сергей Харинцев. – А его сигнал можно усилить до нужного уровня, используя оптические наноантенны».

Все это позволило Харинцеву и его соавторам из Казанского университета, Гарвардского университета и Имперского колледжа Лондона предложить новый способ для записи и чтения информации – с помощью комбинационного рассеяния на азо-полимерных пленках. «До воздействия светом или электрическим полем все азогруппы лежат в плоскости азо-полимерной пленки, – поясняет Сергей. – Используя лазерный свет, например, с круговой поляризацией, можно ориентировать все азо-красители перпендикулярно плоскости пленки».

Точечно воздействовать лазерным лучом на единичную азогруппу с ее нанометровыми размерами пока что крайне сложно. Эта задача требует дополнительной фокусировки излучения и решения ряда сопутствующих проблем, которые пока что по силам лишь некоторым лабораториям в мире. Однако российские физики могут манипулировать доменами, состоящие из нескольких молекул–красителей, ориентированные в том или ином направлении. Такие домены играют роль элементарных ячеек памяти для записи и хранения оптической информации.

По расчетам Харинцева и его коллег, такой накопитель будет иметь в сотни раз более высокую плотность записи, чем самые совершенные из существующих жестких дисков. Манипулируя небольшим количеством молекул-красителей, можно добиться плотности в сотни терабит, а при доведении технологии до уровня отдельных молекул – и петабит на квадратный дюйм. Теоретически, носитель с площадью обычного DVD сможет хранить в миллион раз больше данных, чем стандартный диск.

«Эта задача ближайшего будущего, главное, что не существует принципиальных физических препятствий для ее решения… Поэтому мы активно продолжаем двигаться в этом направлении», – резюмирует Сергей Харинцев.