22 mrt. 2015
3 minuten
Researchers van de University of Illinois in Urbana-Champaign hebben voor het eerst een geluidsopname gedemonstreerd met optische gecodeerde audio op een niet-magnetische, plasmonische nanostructuur. Daarmee openen zij nieuwe wegen voor de meest uiteenlopende toepassingen in informatieverwerking en archivering.
"De dimensies van de chip die hierbij wordt gebruikt, liggen ruwweg in de orde van die van een mensenhaar", zegt onderzoeksleider Kimani Toussaint, associate professor werktuigbouwkunde en engineering. De fotografische filmeigenschappen van een array van gouden nanoantennes in de vorm van vlinderdasjes op pilaartjes (pillar-supported bowtie nanoantennas pBNA’s) – die al eerder door zijn groep waren ontdekt – zijn nu gebruikt om geluid en audiobestanden op te slaan. Vergeleken met conventionele magnetische film voor analoge dataopslag is de opslagcapaciteit van pBNA’s ongeveer 5600 maal groter en dat duidt op een groot aantal potentiële opslagtoepassingen. Om de opslag van audio te demonstreren maakten de onderzoekers een pianoklavier – de nanopiano – waarop met de opgeslagen noten ‘Altijd is Kortjakje ziek’ werd gespeeld.
De onderzoekers demonstreerden dat de pBNA’s kunnen worden gebruikt om geluidsinformatie op te slaan als een golfvorm waarvan de intensiteit met de tijd varieert, of als een golfvorm waarvan de intensiteit met de frequentie varieert. Op de chip zijn acht muzieknoten opgeslagen; zij kunnen worden teruggehaald en in de juiste volgorde worden afgespeeld om een melodietje te laten klinken.
Spectrale verschuiving
"Een karakteristieke eigenschap van plasmonica is het spectrum", zegt Hao Chen, voormalig postdoctoraal onderzoeker in Toussaint’s Probe laboratorium en hoofdauteur van het artikel ‘Plasmon-Assisted Audio Recording‘ dat is verschenen in Scientific Reports. "Goed beheerste morfologische veranderingen op nanoschaal, die hun oorzaak vinden in een plasmon-geïnduceerd thermisch effect, laten een spectrale verschuiving van de nanoantennes toe van wel 100 nm. Door gebruik te maken van deze spectrale vrijheidsgraad als een amplitudecoördinaat kan de opslagcapaciteit worden verbeterd. En hoewel onze audio-opname alleen gericht was op analoge dataopslag, is het ook mogelijk om te werken met digitale opslag. Elk vlindertje dient dan als een 1 of 0. Door het aanpassen van de grootte van het vlinderdasje is het mogelijk om de opslagcapaciteit verder te vergroten."
Het team demonstreerde al eerder dat pBNA’s minder thermische geleiding vertonen dan standaard bowtie-nanoantennes en dat ze snel warm worden als ze worden bestraald met laagvermogen laserlicht. Elke bowtie antenne heeft een diameter van ongeveer 250 nm en wordt gedragen door een 500 nm hoge pilaar van siliciumdioxide. Een consequentie daarvan is dat optische verlichting resulteert in het subtiel smelten van het goud en daardoor een verandering in de totale optische respons. Dat manifesteert zich als een verschil in contrast bij verlichting met wit licht.
Sprekende film
"Onze benadering is analoog aan de methode van ‘optisch geluid,’ die al in de jaren ’20 van de vorige eeuw is ontwikkeld om ‘sprekende films’ mogelijk te maken. Er bestonden varianten op dit proces, maar die deelden allemaal dezelfde basisprincipes. Een audio-opnemer, bijvoorbeeld een microfoon, moduleert een lichtbron. Variaties in de intensiteit van het licht worden gecodeerd op een semitransparante fotografische film terwijl die film wordt voortbewogen. Het decoderen gebeurt door de film te belichten met dezelfde lichtbron en de intensiteitsveranderingen te registreren met een optische detector, die op zijn beurt wordt verbonden met luidsprekers. In ons werk dienden de pBNA’s als fotografische film."
De onderzoekers namen de geluidssignalen op met behulp van een microscoop om een met geluid gemoduleerde laserbundel direct in de nanostructuur aan te brengen, Het terughalen en daarna het afspelen gebeurt met dezelfde microscoop, die de afbeelding doorgeeft aan een camera, waarna eenvoudige signaalbewerking kan worden uitgevoerd.
Anderen lazen ook
