中國(guó)工程院外籍院士、上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長(zhǎng)顧敏與中國(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）研究員阮昊、上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授文靜等合作，在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，研發(fā)出超大容量納米級(jí)三維光盤存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)顛覆性的劃時(shí)代光存儲(chǔ)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。

相比當(dāng)前最先進(jìn)的光盤庫(kù)和硬盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)陣列，“超級(jí)光盤”成本更低、能耗更少，將助推大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的升級(jí)換代。“可以說，我們團(tuán)隊(duì)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(chǔ)容量提高上萬倍

存儲(chǔ)容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級(jí)光盤”，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所誕生。這對(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。

據(jù)論文通訊作者之一、上海光機(jī)所阮昊研究員介紹，存儲(chǔ)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基石之一，光存儲(chǔ)技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長(zhǎng)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)。然而受到光學(xué)衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤的最大容量?jī)H在百GB量級(jí)。

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(zhǎng)壽命介質(zhì)，是近10多年來光存儲(chǔ)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(chǔ)原理的設(shè)想。

經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)7年堅(jiān)持不懈的攻堅(jiān)克難，“超級(jí)光盤”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)上首次在信息寫入和讀出均突破光學(xué)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)。經(jīng)老化加速測(cè)試，光盤介質(zhì)壽命大于40年。

上海光機(jī)所是我國(guó)重要的存儲(chǔ)材料與技術(shù)研究基地。上海光機(jī)所相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，“超級(jí)光盤”的誕生，完成了雙光束超分辨三維光存儲(chǔ)的原理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，未來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走。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(jí)光盤”研究有兩個(gè)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地“寫入”和“讀出”。

但實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)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(huì)限制顯微成像的分辨能力，讓人們難以窺見物質(zhì)的細(xì)節(jié)。而實(shí)現(xiàn)超大容量光存儲(chǔ)，除了需要“見微”，還需要在適宜材料上長(zhǎng)時(shí)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(chǔ)領(lǐng)域的棘手問題。

2013年，顧敏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(jì)錄。但受限于材料，寫入的存儲(chǔ)仍難以實(shí)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(shí)現(xiàn)超大容量光存儲(chǔ)呢？這一問題始終縈繞在顧敏心頭，他帶領(lǐng)合作團(tuán)隊(duì)展開攻關(guān)，希望核心技術(shù)落在祖國(guó)大地上。彼時(shí)，在中國(guó)科學(xué)院院士干福熹的帶領(lǐng)下，上海光機(jī)所作為我國(guó)最早開展數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)研究的科研機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行相關(guān)布局。

在全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)市場(chǎng)，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(guó)在大容量光存儲(chǔ)領(lǐng)域取得突破，將有機(jī)會(huì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面實(shí)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(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

為了找到理想的材料，研究團(tuán)隊(duì)采用高通量的方法，即一次做數(shù)百種材料，逐個(gè)驗(yàn)證哪種最合適。“當(dāng)時(shí)把所有材料列出來之后，大家都很頭痛，因?yàn)檫@既涉及光，又涉及材料。合作團(tuán)隊(duì)之間因?yàn)橹R(shí)體系差異，也難以高效交流。”阮昊回憶說。研究團(tuán)隊(duì)用了5年時(shí)間不斷摸索，排除了很多錯(cuò)誤選項(xiàng)，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(dòng)能越多，對(duì)外發(fā)的光就越少。要讓‘風(fēng)車’發(fā)光更強(qiáng)，就要讓它轉(zhuǎn)慢一些。我們把‘風(fēng)車’放在有機(jī)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(qiáng)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(gè)相鄰點(diǎn)的距離，實(shí)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(jī)，再到光存儲(chǔ)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(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(guó)在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破“卡脖子”障礙，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。

阮昊說，存儲(chǔ)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基石之一，光存儲(chǔ)技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長(zhǎng)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)。“超級(jí)光盤”的誕生，只是完成了雙光束超分辨三維光存儲(chǔ)的原理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是從“0”到“1”的突破，未來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有較長(zhǎng)的路要走。阮昊期望未來科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界就光盤存儲(chǔ)能達(dá)成新的共識(shí)，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(jí)光盤’有可能跟用戶見面。”

在當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，硬盤驅(qū)動(dòng)器、半導(dǎo)體閃光器件等主要存儲(chǔ)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(chǔ)成本很高、壽命較短、數(shù)據(jù)容易丟失。光存儲(chǔ)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(qǐng)專利，下一步的目標(biāo)是走向產(chǎn)業(yè)界。不過，盡管研究團(tuán)隊(duì)已大幅增加存儲(chǔ)的面積密度，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多個(gè)方面仍有待進(jìn)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(guó)在2000年左右就制定了半導(dǎo)體存儲(chǔ)、集成電路發(fā)展的技術(shù)路線圖。推動(dòng)光存儲(chǔ)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(fèi)有保障，通過和國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作，估計(jì)10年左右就可以形成產(chǎn)業(yè)，占據(jù)主流市場(chǎng)，帶來投資回報(bào)。”顧敏補(bǔ)充說。