中國工程院外籍院士、上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長顧敏與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）研究員阮昊、上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院教授文靜等合作，在存儲領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，研發(fā)出超大容量納米級三維光盤存儲器，實現(xiàn)顛覆性的劃時代光存儲。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。

相比當(dāng)前最先進的光盤庫和硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)陣列，“超級光盤”成本更低、能耗更少，將助推大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)存儲的升級換代。“可以說，我們團隊登上了這一領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’。”論文通訊作者之一顧敏說。


存儲容量提高上萬倍

存儲容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所誕生。這對于我國在信息存儲領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

據(jù)論文通訊作者之一、上海光機所阮昊研究員介紹，存儲是數(shù)字經(jīng)濟的基石之一，光存儲技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長的獨特優(yōu)勢，非常適合長期低成本存儲海量數(shù)據(jù)。然而受到光學(xué)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。

發(fā)展可同步實現(xiàn)超分辨寫、超分辨讀、三維存儲及長壽命介質(zhì)，是近10多年來光存儲研究領(lǐng)域亟待解決的世界難題。2012年，本論文另一位通訊作者、上海理工大學(xué)顧敏院士提出了雙光束超分辨光存儲原理的設(shè)想。

經(jīng)過長達7年堅持不懈的攻堅克難，“超級光盤”研究團隊利用國際首創(chuàng)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破光學(xué)衍射極限的限制，實現(xiàn)了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級。經(jīng)老化加速測試，光盤介質(zhì)壽命大于40年。

上海光機所是我國重要的存儲材料與技術(shù)研究基地。上海光機所相關(guān)負責(zé)人表示，“超級光盤”的誕生，完成了雙光束超分辨三維光存儲的原理和實驗驗證，未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有很長的路要走。研究團隊將加快原始創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推動超大容量光存儲的集成化和產(chǎn)業(yè)化進程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。


突破光學(xué)衍射極限的關(guān)鍵

據(jù)介紹，“超級光盤”研究有兩個關(guān)鍵創(chuàng)新——找到適宜的聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料、用飛秒激光調(diào)控性能。將兩者結(jié)合在一起，可以突破光學(xué)衍射極限，實現(xiàn)穩(wěn)定地“寫入”和“讀出”。

但實現(xiàn)這項突破絕非一日之功。突破衍射極限是物理學(xué)的一大難題，衍射效應(yīng)會限制顯微成像的分辨能力，讓人們難以窺見物質(zhì)的細節(jié)。而實現(xiàn)超大容量光存儲，除了需要“見微”，還需要在適宜材料上長時間穩(wěn)定讀寫。能否突破光學(xué)和材料學(xué)的學(xué)科壁壘，成為最近10余年來光存儲領(lǐng)域的棘手問題。

2013年，顧敏帶領(lǐng)團隊首次利用雙光束超分辨原理突破光學(xué)衍射極限，創(chuàng)造9納米特征尺寸的世界紀錄。但受限于材料，寫入的存儲仍難以實現(xiàn)穩(wěn)定讀出。

如何在讀寫兩條通道上突破衍射極限、掃除材料障礙，實現(xiàn)超大容量光存儲呢？這一問題始終縈繞在顧敏心頭，他帶領(lǐng)合作團隊展開攻關(guān)，希望核心技術(shù)落在祖國大地上。彼時，在中國科學(xué)院院士干福熹的帶領(lǐng)下，上海光機所作為我國最早開展數(shù)字光盤存儲技術(shù)研究的科研機構(gòu)也在進行相關(guān)布局。

在全球數(shù)據(jù)存儲市場，主流光盤和固態(tài)硬盤領(lǐng)域一直被日美公司壟斷。如果我國在大容量光存儲領(lǐng)域取得突破，將有機會在數(shù)據(jù)存儲方面實現(xiàn)“變道超車”。論文通訊作者之一阮昊介紹，傳統(tǒng)發(fā)光染料材料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲淹沒的難題，導(dǎo)致超分辨的信息難以讀出。由于其通常依賴電鏡掃描的讀出方式，因而限制了超分辨技術(shù)在光存儲領(lǐng)域中的應(yīng)用。

為了找到理想的材料，研究團隊采用高通量的方法，即一次做數(shù)百種材料，逐個驗證哪種最合適。“當(dāng)時把所有材料列出來之后，大家都很頭痛，因為這既涉及光，又涉及材料。合作團隊之間因為知識體系差異，也難以高效交流。”阮昊回憶說。研究團隊用了5年時間不斷摸索，排除了很多錯誤選項，直到2021年初，才“百里挑一”選出理想材料。

“我們選用的聚集誘導(dǎo)發(fā)光染料材料像有6片葉子的‘發(fā)光風(fēng)車’，‘風(fēng)車’轉(zhuǎn)得越快，消耗的動能越多，對外發(fā)的光就越少。要讓‘風(fēng)車’發(fā)光更強，就要讓它轉(zhuǎn)慢一些。我們把‘風(fēng)車’放在有機樹脂薄膜里，用兩束飛秒激光照射，就能讓它們像天上的星星一樣發(fā)出更強的光。”論文共同第一作者兼通訊作者文靜比喻說，這使其可以超越衍射極限，分辨出兩個相鄰點的距離，實現(xiàn)精確讀寫。


10年有望形成產(chǎn)業(yè)

從光學(xué)顯微技術(shù)，到當(dāng)今“卡脖子”技術(shù)的光刻機，再到光存儲技術(shù)，無一不被光學(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，有助于我國在存儲領(lǐng)域突破“卡脖子”障礙，將在大數(shù)據(jù)數(shù)字經(jīng)濟中發(fā)揮重大作用，以滿足信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大需求。

阮昊說，存儲是數(shù)字經(jīng)濟的基石之一，光存儲技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長的獨特優(yōu)勢，非常適合長期低成本存儲海量數(shù)據(jù)。“超級光盤”的誕生，只是完成了雙光束超分辨三維光存儲的原理和實驗驗證，是從“0”到“1”的突破，未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有較長的路要走。阮昊期望未來科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界就光盤存儲能達成新的共識，朝存算一體化方向發(fā)力：“一切都比較樂觀的話，大概5年左右，‘超級光盤’有可能跟用戶見面。”

在當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟時代，硬盤驅(qū)動器、半導(dǎo)體閃光器件等主要存儲設(shè)備在能耗、壽命和成本方面都存在局限。阮昊表示，當(dāng)前固態(tài)硬盤發(fā)展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰(zhàn)。而半導(dǎo)體存儲成本很高、壽命較短、數(shù)據(jù)容易丟失。光存儲則能有效解決這些問題，因而是未來大數(shù)據(jù)、人工智能發(fā)展的一塊基石。

據(jù)介紹，目前相關(guān)研究已申請專利，下一步的目標(biāo)是走向產(chǎn)業(yè)界。不過，盡管研究團隊已大幅增加存儲的面積密度，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多個方面仍有待進一步提升，在大規(guī)模生產(chǎn)方面也需要繼續(xù)摸索。

阮昊表示，未來產(chǎn)業(yè)化還涉及技術(shù)路線圖的布局。“我國在2000年左右就制定了半導(dǎo)體存儲、集成電路發(fā)展的技術(shù)路線圖。推動光存儲技術(shù)的發(fā)展，也要在突破原理后制定相關(guān)的路線圖，才能吸引企業(yè)投資。”“如果經(jīng)費有保障，通過和國內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作，估計10年左右就可以形成產(chǎn)業(yè)，占據(jù)主流市場，帶來投資回報。”顧敏補充說。