北京时间2024年2月22日，上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士，中国科学院上海光学精密机械研究所阮昊研究员团队和上海理工大学文静教授等人在Nature杂志上发表了题为“A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity”的研究论文。中国科学院上海光学精密机械研究所博后赵苗和上海理工大学文静教授为并列第一作者。
这项研究首次证实可以在三维空间实现多至百层的超分辨尺寸下的信息点的写入和读出，单张盘容量可以高达Pb级。对我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。
大数据时代信息量爆炸增长。当前数据的存储和归档主要依赖于半导体闪存设备和硬盘驱动器等，存在高能耗、高成本和短寿命的缺点。光存储技术（Optical data storage，ODS）具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50～100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据。然而受到光学衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。如何在有限体积内有效增加存储密度、提高单盘存储容量，长久以来一直是光存储领域的重大挑战。
为了提高光学存储介质的存储密度，研究人员主要采用了两种方法：第一种是基于物理量复用的多维光存储技术，如利用金属纳米棒的表面等离子体特性、熔融石英中纳米光栅的双折射现象等，将强度、偏振态、轨道角动量等物理量复用进行多维信息存储；第二种是基于多层的三维光学存储技术，在光致变色材料、光折射聚合物或晶体等材料中进行多光子写入。但以上两种方法都没有突破光学衍射极限的限制，相邻记录点的道间距大于衍射极限的尺寸，单盘等效容量仅为TB量级。
光学衍射极限的限制在2021年Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中高居物理领域首位，同时也是2024年Nature最新发布的将在未来一年关注的七个技术领域之一。为了突破衍射极限的限制，德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术（Stimulated emission depletion，STED），并在2014年获得诺贝尔化学奖。2013年顾敏院士利用双光束的原理实现了9纳米激光直写技术。然而，基于类STED机制来实现超分辨光存储极具挑战性，在于存储介质中不仅需要存在类开/关特性的抑制通道，同时实现超分辨写入和读出，能够进行三维存储，且材料性能稳定易于长期保存。
最近，研究团队攻克了以上10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。研究人员开发了一种掺杂聚集诱导发光染料的有机树脂薄膜（Dye-doped photoresist with aggregation-induced emission , AIE-DDPR）。它具有几个重要特性。首先，超分辨率的纳米级光学写入基于三重态-三重态吸收的机制。环形光束与有机树脂作用，利用三重态-三重态吸收效应有效地抑制了有机树脂聚合效应。其次，为了数据读出，基于激光激发的聚集诱导发光效应（Optically stimulated aggregation-induced emission，OS-AIE）可选择性增强写入区域所发射的荧光强度，同时这束环形光还用来抑制荧光增强现象。最后，利用STED显微镜进行超分辨读出。最终实现了点尺寸为54 nm、道间距为70 nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量可达Pb量级，相当于至少10000张蓝光光盘或100个商用硬盘。值得一提的是，该AIE-DDPR材料不仅寿命大于40年，并且与传统光盘大规模生产的标准工艺流程相兼容，具有非常可观的应用前景。
纳米光子存储示意图
机理上，该论文首次报道了飞秒激光调控下的聚集诱导发光现象（OS-AIE），并深入探讨了一系列全新的机理过程。揭示了AIE-DDPR材料从胶体(第一态) → UV光固化后(第二态) → 飞秒激光束作用后(第三态)的状态变化。AIE-DDPR材料处于第二态时仅发射出弱荧光。当515 nm的实心飞秒激光作用后，诱导其从第二态到第三态的转变，薄膜进一步聚合，导致聚集诱导发光强度增强，且第三态的发射光谱相对于第二态发生红移。而环形的639 nm连续激光与材料发生三重态-三重态吸收效应，阻止外围区域的上述过程。随着激光功率的增加，在490–550 nm波长范围内第三态的荧光发射增强现象更强烈，记录点的荧光对比度可达60：1。研究人员认为飞秒激光提升材料聚集的状态同时，不仅能够提升其荧光发生的强度，还可以实现发射光谱的移动，使得信息记录点在探测范围内能够在超分辨尺度下保持较高的荧光对比度，实现超分辨读出。
“这是具有突破性创新的Pb级光存储技术…本论文是一项重要贡献，因为它（1）为构建基于AIE的纳米级发光体系提供了一个全新的视角，（2）发明了一种突破性的光存储技术，该系统具有比现有光存储系统和HDD高得多的面密度（Pb级），显示出巨大的实用和商业潜力…”。
最后，顾敏院士指出：下一步将开发面向产业化的纳米级光子存储技术，用于满足大数据时代的海量数据存储需求，其成本、能耗和空间将远低于目前的光盘库和HDD数据柜存储技术。（来源：科学网）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06980-y
