5D数据存储与光学技术的未来

什么是5D数据存储?

1996年提出了使用超快激光将数据存储在透明材料（如熔融石英）中的想法。但研究人员花了17年时间才证明这是可行的，为研究提供了一种新的革命性方法光存储.

5D存储不再像CD和DVD那样依赖蚀刻在塑料上的反射线，而是使用在熔融石英中多层压印的点。每个点包含一系列存储数据的凹坑或光栅。为了实现这一点，一个高度精密的激光发射出短而强烈的光脉冲，将光栅蚀刻到玻璃中。每个圆盘包含三层仅相隔五微米的点。

目前用于5D数据存储的磁盘直径为25毫米（接近1英寸），但研究人员认为，该技术可以支持几米大小的存储介质。他们正在考虑一个基于直径为12厘米的磁盘的标准。

研究人员认为，一块硅盘有可能保存多达360tb的数据——约7200万张照片——长达138亿年。

研究人员认为，硅磁盘在190摄氏度的高温下，有可能保存多达360 TB的数据（约7200万张照片）达138亿年之久。今天的光学存储介质远不及这些数字。一张CD只能存储700mb的数据，一张DVD可以存储4.7 GB到8.5 GB之间，而一张蓝光磁盘可以存储25gb或更多的数据。这些圆盘的寿命估计相差很大，从2年到100年不等。

最近的M-DISC有望持续更长时间。和蓝光一样，M-DISC只能存储约25gb的内存，但它的寿命可达1000年，比其他媒体更耐环境破坏。

研究人员甚至显示了硅磁盘在1000摄氏度下的数据稳定性。这些磁盘能够抵抗刮伤、磁盘腐烂和其他可能影响传统类型光盘存储的损坏。它们可以承受多达半吨的直接冲击。

5D数据存储是如何工作的

熔融二氧化硅是二氧化硅的一种非晶体形式，在沙子、石英晶体和其他材料中大量存在。它被认为是可用的最纯净的玻璃，是一种与传统玻璃不同的合成产品，因为它不含其他成分，使它非常适合写入和读取5D数据所需的精度。

但熔融石英只是其中的一部分。5D数据存储的另一个不可或缺的概念是飞秒激光书写，一种极其快速和精确的蚀刻多层玻璃的工艺。激光产生以飞秒为单位的极短周期的光脉冲。一飞秒是百万分之一纳秒，也就是10^-15年一秒钟。

飞秒激光用于屈光手术矫正视力。当用在石英玻璃上将微小光栅蚀刻到玻璃上时，激光产生了自组装纳米结构，称为纳米光栅它可以窄至20纳米。纳米结构的大小在微观和分子之间。在5D存储器中，结构是蚀刻在玻璃上的纳米光栅，并自组织或自组装成一系列点，每个纳米光栅能够存储8位数据。

这个纳米光栅的特性当然，比这里描述的要详细和微妙得多。然而，重要的是，纳米光栅改变了光穿过玻璃的方式，改变了它的偏振，就像偏振光太阳镜减少眩光一样。

极化有助于解释5D数据存储的五维性质。前三个维度由蚀刻在玻璃上的三层圆点定义。其他两个维度由一种称为双折射，纳米光栅产生的光学特性。

双折射有两个特征。首先是慢轴方向,这与纳米光栅在玻璃中的取向一致，第二个是阻滞,这与纳米光栅的尺寸一致。

方向和大小都会影响光在撞击纳米光栅时的反应。利用偏振和强度，飞秒激光束可以独立控制方向和延迟，从而可以使用定量双折射测量来检索数据。正是方向和大小提供了5D存储的第四维和第五维空间，使磁盘能够实现比仅三维空间更高的密度。由于纳米光栅可以从不同角度读取，每个纳米光栅可以存储八位数据，而不是一位。

双折射是一个重要的考虑因素当数据写入玻璃。在这个过程中，偏振用于控制慢轴方向，光强度用于控制延迟强度，从而产生代表数据的独特图案。然后，可以使用光学显微镜和偏振器读取数据，从而可以在访问数据时利用所有五个维度。

5D存储真的起飞了

5D存储的商业应用尚未实现，部分原因是专用激光器的高成本。然而，这项技术可能对希望保存大量信息的组织有用，如博物馆、图书馆和档案馆。研究人员已经把主要的文件，如牛顿的光学《大宪章》(Magna Carta)和联合国《世界人权宣言》(Universal Declaration of Human Rights)。

最近，5D数据存储成为头条新闻，因为它在埃隆·马斯克的特斯拉跑车“猎鹰重型”是一种SpaceX火箭，于2月从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射。火箭、汽车和5D存储，其中包含艾萨克·阿西莫夫的地基这一系列的科幻小说都是围绕太阳运行的，其轨道与火星的轨道相似。

特斯拉的实验表明了5D存储背后的所有热情。考虑到所有这些，这项技术可以将光存储带到21世纪，甚至可能带到下一个世纪。