超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡報(bào)

(第四百八十三期)

2024年2月22日

上海光機(jī)所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

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡稱“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，單盤等效容量達(dá)Pb量級(jí)，對于我國在信息存儲(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、壽命長達(dá)50~100年的獨(dú)特優(yōu)勢，非常適合長期低成本存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，然而受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤的最大容量僅在百GB量級(jí)。在信息量日益增長的大數(shù)據(jù)時(shí)代，突破衍射極限、縮小信息點(diǎn)尺寸、提高單盤存儲(chǔ)容量長久以來一直都是光存儲(chǔ)領(lǐng)域的不懈追求。

1994年德國科學(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20多年的發(fā)展，在顯微成像、激光納米直寫等多個(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、超分辨讀、三維存儲(chǔ)及長壽命介質(zhì)是10多年來光存儲(chǔ)研究領(lǐng)域亟待解決的難題。

上世紀(jì)八十年代，上海光機(jī)所干福熹院士開創(chuàng)了我國數(shù)字光盤存儲(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，單盤等效容量約1.6 Pb。經(jīng)老化加速測試，光盤介質(zhì)壽命大于40年，加速重復(fù)讀取后熒光對比度仍高達(dá)20.5：1。這是國際上首次實(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…”。

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。該超分辨光盤的成功研制在信息寫入和讀出都突破了這一物理學(xué)難題，有助于我國在存儲(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。

未來，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。

研究工作得到了上海市科委重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接

圖1 ?Pb級(jí)光盤制備及讀寫方式示意圖

（圖源:Nature）

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）

圖4 光盤實(shí)物照片

（圖源:Nature）

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