突破衍射極限限制，將存儲容量提高上萬倍！“超級光盤”怎樣誕生的？

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

相比當前最先進的光盤庫和硬盤驅動器數據陣列，“超級光盤”成本更低、能耗更少，將助推大數據時代數據存儲的升級換代。“可以說，我們團隊登上了這一領域的‘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”，在中國科學院上海光學精密機械研究所誕生。這對于我國在信息存儲領域突破關鍵核心技術、實現數字經濟的可持續發展具有重大意義。

據論文通訊作者之一、上海光機所阮昊研究員介紹，存儲是數字經濟的基石之一，光存儲技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長的獨特優勢，非常適合長期低成本存儲海量數據。然而受到光學衍射極限的限制，傳統商用光盤的最大容量僅在百GB量級。

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

經過長達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的雙光束調控聚集誘導發光超分辨光存儲技術，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破光學衍射極限的限制，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級。經老化加速測試，光盤介質壽命大于40年。

上海光機所是我國重要的存儲材料與技術研究基地。上海光機所相關負責人表示，“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，未來實現產業化，還有很長的路要走。研究團隊將加快原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的集成化和產業化進程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領域的交叉應用。


突破光學衍射極限的關鍵

據介紹，“超級光盤”研究有兩個關鍵創新——找到適宜的聚集誘導發光材料、用飛秒激光調控性能。將兩者結合在一起，可以突破光學衍射極限，實現穩定地“寫入”和“讀出”。

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

2013年，顧敏帶領團隊首次利用雙光束超分辨原理突破光學衍射極限，創造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穩定讀出。

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

在全球數據存儲市場，主流光盤和固態硬盤領域一直被日美公司壟斷。如果我國在大容量光存儲領域取得突破，將有機會在數據存儲方面實現“變道超車”。論文通訊作者之一阮昊介紹，傳統發光染料材料在聚集狀態下極易發生熒光猝滅，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在光存儲領域中的應用。

為了找到理想的材料，研究團隊采用高通量的方法，即一次做數百種材料，逐個驗證哪種最合適。“當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發光染料材料像有6片葉子的‘發光風車’，‘風車’轉得越快，消耗的動能越多，對外發的光就越少。要讓‘風車’發光更強，就要讓它轉慢一些。我們把‘風車’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，實現精確讀寫。


10年有望形成產業

從光學顯微技術，到當今“卡脖子”技術的光刻機，再到光存儲技術，無一不被光學衍射極限所限制。在2021年Science發布的全世界最前沿的125個科學問題中，突破衍射極限限制更是在物理領域高居首位。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難題，有助于我國在存儲領域突破“卡脖子”障礙，將在大數據數字經濟中發揮重大作用，以滿足信息產業領域的重大需求。

阮昊說，存儲是數字經濟的基石之一，光存儲技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長的獨特優勢，非常適合長期低成本存儲海量數據。“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，未來實現產業化，還有較長的路要走。阮昊期望未來科學界、產業界就光盤存儲能達成新的共識，朝存算一體化方向發力：“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。”

在當前數字經濟時代，硬盤驅動器、半導體閃光器件等主要存儲設備在能耗、壽命和成本方面都存在局限。阮昊表示，當前固態硬盤發展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰。而半導體存儲成本很高、壽命較短、數據容易丟失。光存儲則能有效解決這些問題，因而是未來大數據、人工智能發展的一塊基石。

據介紹，目前相關研究已申請專利，下一步的目標是走向產業界。不過，盡管研究團隊已大幅增加存儲的面積密度，但要實現產業化，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，在大規模生產方面也需要繼續摸索。

阮昊表示，未來產業化還涉及技術路線圖的布局。“我國在2000年左右就制定了半導體存儲、集成電路發展的技術路線圖。推動光存儲技術的發展，也要在突破原理后制定相關的路線圖，才能吸引企業投資。”“如果經費有保障，通過和國內相關企業合作，估計10年左右就可以形成產業，占據主流市場，帶來投資回報。”顧敏補充說。