Vers une nouvelle génération de mémoires à disques optiques

Les mémoires optiques à haute densité d’écriture constituent une voie prometteuse pour le stockage de l’information dont le besoin ne fait qu’augmenter.
Les systèmes existants d’enregistrement optique à l’échelle nanométrique utilisent un laser à faisceau de haute intensité, ils consomment beaucoup d’énergie, c’est le cas de l’enregistrement sur disque en quartz fondu.

 

Des chercheurs de l’Université de Shangai, Chine, de la RMIT University, Melbourne, Australie et de la National University of Singapore, Singapour, ont mis au point une méthode simple et d’application générale basée sur la conversion ascendante de photons à l’aide de nanoparticules dopées aux lanthanides (en anglais lanthanides doped upconversion nanoparticles, UCNP) recouvrant des nanofeuilles  d’oxyde de graphène (GO) sur un support en verre.

Les mémoires optiques à haute densité d’écriture constituent une voie prometteuse pour le stockage de l’information dont le besoin qu’augmenter.
Les systèmes existants d’enregistrement optique à l’échelle nanométrique utilisent un laser à faisceau de haute intensité, ils consomment beaucoup d’énergie, c’est le cas de l’enregistrement sur quartz fondu.

La conversion ascendante de photon est un processus quantique dans lequel deux  ou plusieurs photons sont absorbés consécutivement dans un matériau qui en émet un seul, de longueur d’onde plus courte.
Les lanthanides sont les éléments allant du lanthane, de numéro atomique 57, au lutécium de numéro 71.

Les UCNPs absorbent un photon ou plus dans le proche infrarouge (en anglais Near Infra Red, NIR) et émettent une lumière de plus haute énergie dans le NIR et le spectre visible (Fig.1a).

Cet effet est d’origine purement quantique, des photons excitent dans l’UCNP des électrons qui sont envoyés à des niveaux d’énergie supérieure. En redescendant dans des niveaux d’énergie  inférieure à celle de leur origine, ils émettent un photon d’énergie, donc de fréquence, plus élevée que celle des photons absorbés.

Ce mécanisme présente de nombreux avantages sur les autres effets de luminescence, en particulier par la faible intensité d’excitation minimum nécessaire pour émettre les photons de fréquence plus élevée

C’est la luminescence due aux photons de plus haute énergie (produits par la conversion ascendante de photon) qui est utilisée pour réduire localement l’oxyde de graphène (GO) et ceci avec des motifs d’une taille d’environ 50 nm.

Le graphène est un matériau bidimensionnel cristallin, allotrope du carbone. L’empilement de ses plans constitue le graphite.
L’allotropie est la faculté qu’ont certains corps simples d’exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires.

Ceci s’obtient grâce à l’utilisation de deux lasers fonctionnant à deux longueurs d’onde différentes, 980 nm pour celui dit d’écriture et 808 nm pour celui dit d’inhibition.

Le laser d’écriture excite dans les nanoparticules d’UCPN des photons de haute énergie qui réduisent le GO. La largeur de son faisceau entraîne l’excitation de la nanoparticule centrée, mais aussi des ses proches voisines. Pour qu’il ne puisse y avoir qu’une seule nanoparticule excitée, le laser d’inhibition modifie dans les  particules voisines  l’occupation par les électrons d’ états d’énergie, rendant impossible l’excitation  par le laser d’écriture de photons de haute énergie.(Fig. 1 A, B)
Pour cela le faisceau laser d’inhibition a un profil d’intensité en anneau avec une intensité nulle en son point central. On a figuré sur la figure 1B les 2 faisceaux et la couche d’UCPNs sur l’oxyde de graphène.

Fig.1. Principe de l’écriture optique nanométrique sur GO-UNCP A) Le faisceau laser d’écriture induit la réduction d’oxyde de graphène GO par conversion ascendante de photons, tandis que le faisceau d’inhibition empêche la réduction de GO en bloquant la génération de photons de haute énergie dans les UCPNs. B) Schéma du dispositif expérimental. Le double faisceau permet d’écrire sur la couche nanocomposite GO-UCNP avec une résolution de 50 nm. Tiré de Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer S. Lamon, Y. Wu, Q. Zhang, X. Liu, M. Gu Science Advances 2021; 7 24 February 2021 C.C. BY-NC-ND 4.0

Fig.1. Principe de l’écriture optique nanométrique sur GO-UNCP
A) Le faisceau laser d’écriture induit la réduction d’oxyde de graphène GO par conversion ascendante de photons, tandis que le faisceau d’inhibition empêche la réduction de GO en bloquant la génération de photons de haute énergie dans les UCPNs.
B) Schéma du dispositif expérimental. Le double faisceau permet d’écrire sur la couche nanocomposite GO-UCNP avec une résolution de 50 nm.
Tiré de Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer
S. Lamon, Y. Wu, Q. Zhang, X. Liu, M. Gu
Science Advances 2021; 7 24 February 2021 C.C. BY-NC-ND 4.0

 

Avec ce dispositif, la réduction du GO induite par l’UNCP est confinée en une région inférieure à la limite de diffraction située au point central du faisceau d’écriture, point qui est aussi celui où l’intensité du faisceau d’inhibition est nulle.

Le profil d’intensité des deux faisceaux est précisé sur la figure 2 ci-dessous :

Fig.2 Intensité des faisceaux le long de la direction radiale Intensité du faisceau d’ écriture (980 nm de longueur d’onde), du faisceau d’inhibition (808 nm de longueur d’onde) et leur recouvrement( écriture + inhibition) Tiré de Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer S. Lamon, Y. Wu, Q. Zhang, X. Liu, M. Gu Science Advances 2021; 7 24 February C.C. BY-NC-ND 4.0

Fig.2 Intensité des faisceaux le long de la direction radiale
Intensité du faisceau d’ écriture (980 nm de longueur d’onde), du faisceau d’inhibition (808 nm de longueur d’onde) et leur recouvrement( écriture + inhibition)
Tiré de Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer
S. Lamon, Y. Wu, Q. Zhang, X. Liu, M. Gu
Science Advances 2021; 7 24 February C.C. BY-NC-ND 4.0

Avec un tel système, on peut espérer stocker  sur une face d’un disque de la taille d’un DVD  environ 700 téraoctets (700 1012 octets). Cela est énorme si on le compare à la capacité d’un DVD Blu-ray qui est de 28 kilooctets.

La consommation d’énergie est très faible par rapport à tous les systèmes d’inscription optique précédents. Cette technologie offre une voie vers une nouvelle génération de stockage optique de données de très haute capacité et de faible coût.

 

Pour en savoir plus :

 

Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer
S. Lamon, Y. Wu, Q. Zhang, X. Liu, M. Gu
Science Advances 2021; 7 24 February C.C. BY-NC-ND 4.0