title: Polarisation data storage in Bacteriorhodopsin layers
title: Polarisationsdatenspeicherung in Bakteriorhodopsin-Schichten
Creators: name: Imhof, Martin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: two photon absorption,
Bakteriorhodopsin , Datenspeicherung
Decarboxylierung , Zweiphotonenabsorption
data storage
Chemie
Purpurmembran

description: The distribution of knowledge,
      rules and laws in the form of stored information has begun
      with simple stone tablets and papyrus rolls. It developed
      printed media and nowadays the use of computers for data
      storage is common. Magnetic hard drives can store a few
      terabits. The optical information storage with CDs (compact
      discs) and DVDs (digital versatile discs) is widespread.
      However the number of pits and flats is limited and a regular
      CD can only store up to 700 MB. By decreasing the laser spot
      size and using other wavelengths the capacity volume for
      storage expands up to 50 GB in a blue ray disc. But still the
      limits of data storage are not yet exhausted. The optical
      data storage can be extended into five dimensions, including
      the spatial resolution in XYZ-direction of the storage medium
      and the readout wavelength for different dyes. Furthermore
      the polarization state of light provides an additional degree
      of freedom to increase capacity. Optical polarization data
      storage is also possible with Bakteriorhodpsin (BR). Research
      on BR has been done since its discovery in the 1970s. In
      recent years more and more possibilities for technical
      applications of this biomolecule have been discussed. BR has
      an enormous stability against thermal and chemical stress,
      therefore it is ideal for technical applications. The
      combination of existing techniques with BR is an important
      requirement for the market introduction of products
      containing BR. These products include for example
      photochromic security inks using molecular effects of BR,
      inspired by the proton pump mechanism of this protein in
      nature. BR also has a huge potential in the application as
      optical polarization-encrypted data storage. Therefore, the
      already known technique of data storage in BR has to be
      investigated with regard to the writing and reading
      mechanism. Moreover, the molecular effect, which leads to a
      macroscopic measurable polarisation change of incident light
      has to be devised. A combination of UV-Vis-spectroscopy,
      CD-spectroscopy and atomic force microscopy of laser
      irradiated samples was able to show the structural changes on
      the molecular level. Together with MS-analyses the
      irreversible reaction of laser induced two photon
      photo-bleaching has been solved in this work. In this PhD
      thesis techniques and procedures were combined to produce
      polarization data storage containing BR. The effect of
      polarisation storage was analyzed and described employing the
      Stokes formula. The capacity of data storage increases
      enormously by using a polarisation system.
description: Die Weitergabe von Wissen, Regeln
      und Gesetzen in Form von gespeicherten Informationen hat mit
      einfachen Steintafeln begonnen und sich über Papyrusrollen,
      dem Buchdruck bis hin zur Verwendung von Computern zur
      Datenspeicherung entwickelt. Magnetische Festplatten kommen
      heute bis auf einige Terabits Speichervolumen. Die optische
      Informationsspeicherung in Form von CDs (Compact Discs) und
      DVDs (Digital Verstile Discs) ist weit verbreitet. Die Nummer
      der Pits and Lands ist limitiert und eine normale CD erlaubt
      eine Speicherung von bis zu 700 MB. Durch kleinere
      Laserspots, anderen Wellenlängen zum Auslesen und engere
      Beschreibung der Datendiscs wurde bei Blue Rays das
      Datenvolumen bis auf 50 GB erweitert. Auf diesem Wege sind
      die Grenzen der Datenspeicherung noch nicht ausgereizt. Die
      optische Datenspeicherung lässt sich in fünf Dimensionen
      ausweiten, dazu gehören neben der Ortsauflösung in
      XYZ-Richtung des Speichermediums noch die Auslesewellenlänge
      für verschiedene Farbstoffe sowie die Polarisationsrichtung
      des Lichts. Optische Datenspeicherung ist auch mit
      Bakteriorhodopsin (BR) möglich. Seit der Erforschung des BR
      in den 70ern wurden bis heute verschiedene technische
      Anwendungen des Biomoleküles diskutiert. So sind photochrome
      Sicherheitstinten, die den Protonpumpmechanismus des Proteins
      nutzen, von Interesse. Ein anderes großes Potential ist die
      Polarisationsdatenspeicherung. Das Ziel dieser Dissertation
      ist es, die Veränderungen aufzuzeigen, die bei der
      Polarisationsdatenspeicherung eintreten, beginnend im
      molekularen bis hin zum makroskopisch messbaren Effekt. Der
      für die Datenspeicherung von Fischer und Mastay postulierte
      Zustand P360 wurde bereits früher schon UV-Vis
      spektroskopisch untersucht. In dieser Arbeit werden mit
      CD-Spektroskopie, AFM und SAXS strukturelle Veränderungen auf
      der mikroskopischen Ebene diesen Zustand nach Bestrahlung
      mittels Pulslaser aufklären. Ergänzt durch
      massenspektrometrische Messungen kann die Ursache der
      Irreversibilität des Schreibvorgangs aufgeklärt werden. Im
      zweiten Teil werden die externen Einflüsse auf das
      Datenspeichern aufgezeigt. Der makroskopisch messbare Effekt
      des Datenspeicherns wird mittels Polarimetrie untersucht. Mit
      einer mathematischen Beschreibung durch den
      Stokes-Formalismus wird der Effekt der
      Polarisationsdatenspeicherung beschrieben. Die
      Speicherkapazität eines Polarisationsdatenspeichers
      übersteigt herkömmliche Datenspeicher um ein
      vielfaches.