特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
隨著數字時代的發展，對高容量存儲技術的需求不斷增加。然而，傳統的存儲技術如半導體閃存設備和硬盤驅動器在能耗、運營成本和壽命方面存在問題，尤其無法滿足大規模數據中心的需求。因此，尋找一種成本效益高、環保、耐用的長期歸檔數據存儲解決方案成為研究的焦點。光學數據存儲（ODS）系統作為一種具有潛在優勢的解決方案受到關注，但其容量受限，面臨著增加面積密度的挑戰。傳統的多維和三維多層光學存儲方法由于傳統光學衍射限制，難以實現超分辨率，從而限制了存儲介質中相鄰記錄特征的間距。為了克服ODS系統的容量限制和面積密度挑戰，上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士，文靜教授聯合中國科學院上海光學精密機械研究所阮昊研究員攜手在Nature上發布最新科研成果。該文采用了創新的方法開發了一種新型的ODS介質，即含聚集誘導發光（AIE）熒光體的染料摻雜光刻膠（AIE-DDPR）。這一介質在數據記錄時通過納米級光學寫入實現了高效的三維記錄，同時通過光刺激的AIE機制實現了超分辨率的數據檢索。該技術通過利用AIE-DDPR記錄膜的獨特性能，突破了傳統光學存儲機制的限制。此外，該研究通過AIE-DDPR記錄膜取得了顯著的成果，超越了其他光學系統和硬盤驅動器在面積密度方面的表現。簡而言之，這意味著在這一技術的推動下，存儲全球一年數據所需的Pb級光盤數量相較于傳統硬盤可以減少兩個數量級，實現了“以一抵百”的驚人效果。
研究內容
圖1總結了在深亞波長區域中光學數據存儲介質（ODS）的提出的記錄和檢索過程。為了實現光學寫入，他們通過物鏡將兩束激光聚焦到盤片的記錄區域。第一束激光引發了聚合反應，而第二束激光則停用了該反應，形成具有亞衍射體積尺寸的記錄點。通過超分辨率光學熒光成像技術檢索記錄點的熒光信號。研究人員演示了基于該存儲工作流程的樹形圖像的編碼和解碼過程。編碼信息被記錄在具有100個寫入層的記錄介質中，其x-z垂直截面是通過多次x-y掃描重建的。圖1b展示了制作AIE-DDPR薄膜的空白盤（未寫入信息）的工作流程。整個過程與常規數字多功能光盤（DVD）批量生產的標準工作流程兼容，并可在6分鐘內完成。典型的過程包括旋涂材料、擴散和空白盤成型。ODS具有高達1.6 Pb的容量，通過在作者的超薄單盤的兩面記錄100層，實現了與DVD尺寸相當的盤片區域。ODS可以存儲與大型petabit級別的藍光光盤庫或HDD數據陣列相當的數據量，其面積密度是藍光光盤庫的103倍，是目前最先進的HDD的24倍。因此，通過堆疊1,000個petabit級別的納米盤片，可以在一個房間內而不是體育場大小的空間內建立exabit（Eb）級別的數據中心。每個petabit級別的盤片能夠取代傳統的petabit級別的藍光光盤庫或HDD數據陣列，從而實現大量成本效益的exabit數據中心。 圖1.納米尺度光學書寫和讀取在空白的AIE-DDPR盤上的原理及生產工作流程。為了實現納米級光學數據存儲（ODS）的最大面積密度，作者嘗試盡可能多地將層寫入記錄介質。圖2a所示成功地在提出的AIE-DDPR膜上實現了高達100層的寫入和讀取。膜中的寫入深度為100μm，受物鏡的工作距離限制。作者將相鄰層之間的距離最小化為1μm，以將切片數量最大化為100。具體來說，作者交替將學院和大學徽章（“SIOM”和“USST”）的圖像寫入3D體積中。作者發現，偶數層和奇數層具有清晰的交替圖案，沒有串擾。在深層的寫入空間分辨率被發現與頂層的寫入空間分辨率相當，如圖2b所示，比較了頂層（第8和第9層）、中間層（第58和第59層）和底層（第95和第96層）的徽章。在創建一個三維納米級光學數據存儲設備的原型時，從將數據編碼（例如圖像、音頻或視頻）轉換為二進制位開始，然后利用介質記錄位，逐位檢索信號（如圖2c所示），最后解碼位以重建原始的數字文件是至關重要的方面。根據圖2c中顯示的紅色框，作者獲得了強度剖面（如圖2d所示），顯示了平均橫向軌道間距為180nm。樹的原始8位圖像（16×16）及其對應的召回圖像如圖2e所示。盡管生成圖像中樹的顏色略有失真，由于誤碼率為0.33％，但基于多層納米級ODS的編碼和解碼過程的原型表現良好。 圖2. 100層體積納米尺度ODS和數字模式編碼與解碼的演示。接著，圖3a展示了HPS-ITX-DTPA的三種不同狀態，即膠體狀態、經過紫外光暴露后的狀態以及經過高度聚焦的飛秒激光束照射后的狀態。在膠體狀態下（第一狀態），HPS-ITX-DTPA只發出少量熒光。然后，將旋涂的HPS-ITX-DTPA在基底盤上用紫外光固化，導致轉變為固態并導致初步聚合成均勻交聯的薄膜（第二狀態）。隨后，在515納米飛秒寫入激光束的輻照下，薄膜在第三狀態下進一步聚合，其中AIE熒光顯示出異常的亮度。三種狀態的發射光譜如圖3b、c所示。第三狀態的光譜相對于第二狀態具有紅移，這可能是由于HPS的分子共平面化在薄膜的光聚合作用下得到了增強。隨著515納米飛秒激光束的書寫功率增加，第三狀態在讀取范圍（490-600nm）內的熒光發射增強。這種發射增強是由于周邊苯環的旋轉受限，阻止了非輻射能量消耗通路，以及HPS的周邊苯環與硅烯環的共平面化，增加了共軛度，從而增加了輻射衰減速率之間的協同作用。通過測量壽命（圖3d）和量子產率，可以量化具有不同參數的控制樣品的輻射和非輻射衰減速率。此外，拉曼光譜測量（圖3e）顯示，隨著激光束的書寫功率的增加，聚合度增加。這表明，飛秒激光照明引起的聚合度提高增強了上述協同作用。 圖3. 體積納米尺度ODS原理示意圖和AIE-DDPR薄膜特性表征。為了獲得作者納米級光學數據存儲（ODS）的最大面積密度，作者研究了單個記錄點的最小尺寸和最小軌道間距。如圖4a所示，作者進一步研究了停用光束對書寫點尺寸的影響，并發現隨著停用光束功率的增加，點的橫向尺寸減小，最終達到了54.6?±?2.2?nm（約為λ/12）的最小亞衍射特征尺寸。此外，作者將書寫點的共焦圖像（即單光束讀取）與超分辨率STED圖像（即雙光束讀取）進行了比較。將蓮花圖案離散成相鄰但分開的多個4×4點陣，這些點陣是由第一個515納米飛秒激光束在沒有（圖4b）和有（圖4c,d）639納米連續波激光的停用光束下書寫的。結果顯示，在單光束書寫配置下，無法清晰區分具有超分辨率中心到中心距離的兩個相鄰納米級特征。然而，在雙光束書寫配置下，這些特征密集分布，同時保持了清晰的單獨輪廓。此外，納米級圖案的超分辨率STED圖像讀取（圖4c）與共焦圖像讀取（圖4d）的比較表明，雙光束STED成像機制對于準確區分具有納米級軌道間距的緊密排列特征是不可或缺的。如圖4e所示，最小軌道間距確定為70nm（約為λ/9），這決定了ODS系統的存儲容量。作者得出結論，雙光束配置的書寫和讀取對于納米級ODS是必需的。
科學結論
科研人員利用雙光束技術成功突破了光學衍射極限，首次實現了在三維空間中多至百層、超分辨尺寸下的信息點的寫入和讀出。這項突破性技術使得單張光盤的存儲容量高達Pb級，相當于至少一萬張藍光光盤的存儲容量。換言之，在這項技術的推動下，存儲全球一年數據所需的光盤數量相較于傳統硬盤可以減少兩個數量級，達到“以一抵百”的驚人效果。這一納米光子存儲技術的成功突破光學衍射極限，解決了光存儲領域長期以來的物理學難題。這一突破不僅將為我國在存儲領域帶來重大進展，還將在航空航天、生物醫學、衛星通信等多個領域展現出巨大潛力和廣闊前景。Zhao, M., Wen, J., Hu, Q. et al. A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity. Nature 626, 772–778 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06980-y
