近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱“上海光機(jī)所”）與上海理工大學(xué)等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲(chǔ)研究中取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)際首創(chuàng)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)上首次在信息寫(xiě)入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并完成了100層的多層記錄，單盤(pán)等效容量達(dá)Pb量級(jí)，對(duì)于我國(guó)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關(guān)研究成果于2024年2月22日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志。論文第一作者單位為上海光機(jī)所，通訊作者為上海光機(jī)所阮昊研究員和上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長(zhǎng)顧敏院士，上海理工大學(xué)文靜教授。上海光機(jī)所博士后趙苗和上海理工大學(xué)文靜教授為并列第一作者。
光存儲(chǔ)技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長(zhǎng)達(dá)50~100年的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非常適合長(zhǎng)期低成本存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，然而受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤(pán)的最大容量?jī)H在百GB量級(jí)。在信息量日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，突破衍射極限、縮小信息點(diǎn)尺寸、提高單盤(pán)存儲(chǔ)容量長(zhǎng)久以來(lái)一直都是光存儲(chǔ)領(lǐng)域的不懈追求。
1994年德國(guó)科學(xué)家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術(shù)，首次證明了光學(xué)衍射極限能夠被打破，并在2014年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在顯微成像、激光納米直寫(xiě)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了光學(xué)超分辨成果，信息的超分辨寫(xiě)入已經(jīng)得到了解決。然而傳統(tǒng)染料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息的丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲湮沒(méi)的難題，導(dǎo)致超分辨的信息難以讀出，通常依賴電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術(shù)在光存儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，發(fā)展可同步實(shí)現(xiàn)超分辨寫(xiě)、超分辨讀、三維存儲(chǔ)及長(zhǎng)壽命介質(zhì)是10多年來(lái)光存儲(chǔ)研究領(lǐng)域亟待解決的難題。
圖1 Pb級(jí)光盤(pán)制備及讀寫(xiě)方式示意圖（圖源:Nature）
上世紀(jì)八十年代，上海光機(jī)所干福熹院士開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)數(shù)字光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的研究，研究團(tuán)隊(duì)一直深耕光存儲(chǔ)領(lǐng)域。依托于豐厚的研究基礎(chǔ)和創(chuàng)新技術(shù)方案，基于雙光束超分辨技術(shù)及聚集誘導(dǎo)發(fā)光存儲(chǔ)介質(zhì)，在信息寫(xiě)入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并完成了100層的多層記錄，單盤(pán)等效容量約1.6 Pb。經(jīng)老化加速測(cè)試，光盤(pán)介質(zhì)壽命大于40年，加速重復(fù)讀取后熒光對(duì)比度仍高達(dá)20.5：1。這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)Pb量級(jí)的超大容量光存儲(chǔ)，得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是一種具有突破性創(chuàng)新的Pb級(jí)光存儲(chǔ)技術(shù)…”“與現(xiàn)有其它技術(shù)相比，該技術(shù)在性能方面提供了最高的光存儲(chǔ)面密度…”“研究成果可能會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)中心檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的突破，解決大容量和節(jié)能的存儲(chǔ)技術(shù)難題…”。
圖2 超分辨信息記錄結(jié)果（圖源:Nature）
圖3 100層記錄和二進(jìn)制編碼譯碼復(fù)原結(jié)果（圖源:Nature）
從光學(xué)顯微技術(shù)到光存儲(chǔ)技術(shù)，都被光學(xué)衍射極限所限制。在2021年Science發(fā)布的全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題中，突破衍射極限限制更是在物理領(lǐng)域高居首位。該超分辨光盤(pán)的成功研制在信息寫(xiě)入和讀出都突破了這一物理學(xué)難題，有助于我國(guó)在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)，將在大數(shù)據(jù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重大作用，以滿足信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大需求。
圖4 光盤(pán)實(shí)物照片（圖源:Nature）
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將加快原始創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)超大容量光存儲(chǔ)的集成化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，產(chǎn)出更多更優(yōu)秀的創(chuàng)新成果。
圖5 前排從左至右：論文通訊作者阮昊，共同第一作者趙苗
后排從左至右：研究人員胡巧、尹教成
