Wie eine Plastikscheibe zum holografischen Datenspeicher wird

Verblüffend simpel: Hologramme sind nicht nur optische Spielerei – sie können auch als Datenspeicher dienen. Eine besonders einfache Methode dafür hat nun ein Forschungsteam demonstriert. Sie nutzten eine mit gängigen 3D-Druckern hergestellte Kunststoffscheibe als Speicher und Holografie-Medium. Das dafür nötige Hologrammmuster benötigt keine aufwendige Lasertechnik, sondern wird digital erstellt und mittels Terahertzstrahlung ausgelesen.

In der Science-Fiction sind Hologramme längst Alltag. Aber auch in der Realität gibt es schon Technologien, die holografische Videos, tiefenscharfe Hologramme oder freischwebende Holo-Projektionen erzeugen. Anders als normale Pixel- oder Vektorbasierte Bilder basieren Hologramme auf optischen Interferenzmustern. In den dafür genutzten Laserstrahlen sind die Tiefeninformationen des abgebildeten Objekts als Phasenverschiebungen kodiert. Beim Betrachten erscheint das Hologramm dadurch dreidimensional.

Hologramme als Datenspeicher

Interessant sind Hologramme jedoch nicht nur wegen ihrer 3D-Perspektive: Sie bieten auch neue Möglichkeiten der Datenspeicherung. Dafür werden die Daten als holografisches Interferenzmuster in einen Kristall oder ein anderes geeignete Material eingeätzt. „Dies ermöglicht eine Langzeit-Datenspeicherung, die keine Energie für ihre Erhaltung benötigt und die von Natur aus robust gegenüber lokalen Defekten und zufälligen Bit-Fehlern ist“, erklären Evan Constable von der Technischen Universität Wien und seine Kollegen.

Ein weiterer Vorteil: Man kann mehrere Hologramme in dasselbe dreidimensionale Volumen des Speichermediums einprägen. Für dieses „holografische Multiplexen“ erzeugt man Hologramme mit Lasern jeweils verschiedener Lichtwellenlängen. „Der größte Vorteil der holografischen Datenspeicherung ist ihr Potenzial, große Datenmengen auf kleinem Raum zu speichern“, so Constable und sein Team. Bisher krankt die Technologie holografischer Datenspeicher jedoch daran, dass für das Erzeugen und Auslesen aufwendige und platzraubende Laserapparaturen benötigt werden.

Mit Kunststoff, 3D-Drucker und einer Hologramm-Software

Eine mögliche Lösung könnten Constable und sein Team nun gefunden haben – zumindest für einige Anwendungen. Denn sie haben eine Methode entwickelt, bei der holografische Datenspeicher mit ganz normalen 3D-Druckern hergestellt werden können. Kern des Konzepts ist eine dünne, für Terahertzstrahlung transparente Plastikblende – eine dünne Scheibe Kunststoff. In sie ist das die Struktur eingeprägt, die das Interferenzmuster für das Hologramm erzeugt. Im Test nutzten die Forschenden als Dateninhalt eine Bitcoin-Wallet-Adresse aus 256 bits.

Damit die Plastikblende den richtigen Code erzeugt, muss man zunächst ausrechnen, an welchem Punkt sie welche Dicke haben muss, damit sie die Strahlung genau auf die richtige Weise verändert. Constable und sein Team nutzten dafür ein spezielles Computerprogramm. „Dann braucht man nur noch einen ganz gewöhnlichen 3D-Drucker, um die Blende auszudrucken, und schon hat man die gewünschte Information holographisch gespeichert“, erklärt Constable.

Terahertzstrahlung zum Auslesen

Um nun die hologafisch gespeicherte Information wieder abzurufen, benötigt man einen Terahertzstrahler. „Das sind elektromagnetische Strahlen im Bereich von rund hundert bis zu mehreren tausend Gigahertz, also vergleichbar mit der Strahlung eines Mobiltelefons oder eines Mikrowellenofens – aber mit deutlich höherer Frequenz“, erklärt Constable. Strahlung dieser Art wird beispielsweise bereits bei den Ganzkörperscannern am Flughafen eingesetzt.

Bestrahlt man das holografische Plastikscheibchen mit der Terahertzstrahlung, erzeugt sie ein holografisches Bild des gespeicherten Codes. „Von jedem Punkt der Blende geht dann eine Welle aus, und all diese Wellen überlagern sich miteinander“, sagt Constable. „Wenn man die Dicke der Blende Punkt für Punkt genau richtig angepasst hat, dann ergibt sich aus der Überlagerung all dieser Wellen genau das gewünschte Bild.“

Gut für Krypto-Schlüssel geeignet

Die Forschenden sehen in ihrer Methode eine Chance, holografische Speicher günstiger und praktikabler zu machen. „Unsere Demonstration des verlässlichen Kodierens und Auslesens von Daten mithilfe einer 3D-gedruckten Phasenplatte und einer verschlankten optischen Konfiguration trägt dazu bei, die Grenzen des mit 3D-gedruckter Optik und Terahertzstrahlung machbaren weiter zu verschieben“, konstatieren Constable und seine Kollegen.

Zwar sind die Anwendungen der Technik bisher durch relativ langsame Schreibgeschwindigkeiten und begrenzte Datendichte limitiert. Aber für Anwendungen, in denen es eher auf zuverlässige Langzeitspeicherung und Sicherheit ankommt, wie bei kryptografischen Schlüsseln, seien diese Beschränkungen wenig relevant, so die Wissenschaftler. Sie gehen zudem davon aus, dass sie die Datendichte durch verkürzte Wellenlängen noch weiter erhöhen können. (Scientific Reports, 2024; doi: 10.1038/s41598-024-56113-2)

Quelle: Technische Universität Wien