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研究背景
随着数字时代的发展，对高容量存储技术的需求不断增加。然而，传统的存储技术如半导体闪存设备和硬盘驱动器在能耗、运营成本和寿命方面存在问题，尤其无法满足大规模数据中心的需求。因此，寻找一种成本效益高、环保、耐用的长期归档数据存储解决方案成为研究的焦点。光学数据存储（ODS）系统作为一种具有潜在优势的解决方案受到关注，但其容量受限，面临着增加面积密度的挑战。传统的多维和三维多层光学存储方法由于传统光学衍射限制，难以实现超分辨率，从而限制了存储介质中相邻记录特征的间距。为了克服ODS系统的容量限制和面积密度挑战，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，文静教授联合中国科学院上海光学精密机械研究所阮昊研究员携手在Nature上发布最新科研成果。该文采用了创新的方法开发了一种新型的ODS介质，即含聚集诱导发光（AIE）荧光体的染料掺杂光刻胶（AIE-DDPR）。这一介质在数据记录时通过纳米级光学写入实现了高效的三维记录，同时通过光刺激的AIE机制实现了超分辨率的数据检索。该技术通过利用AIE-DDPR记录膜的独特性能，突破了传统光学存储机制的限制。此外，该研究通过AIE-DDPR记录膜取得了显著的成果，超越了其他光学系统和硬盘驱动器在面积密度方面的表现。简而言之，这意味着在这一技术的推动下，存储全球一年数据所需的Pb级光盘数量相较于传统硬盘可以减少两个数量级，实现了“以一抵百”的惊人效果。
研究内容
图1总结了在深亚波长区域中光学数据存储介质（ODS）的提出的记录和检索过程。为了实现光学写入，他们通过物镜将两束激光聚焦到盘片的记录区域。第一束激光引发了聚合反应，而第二束激光则停用了该反应，形成具有亚衍射体积尺寸的记录点。通过超分辨率光学荧光成像技术检索记录点的荧光信号。研究人员演示了基于该存储工作流程的树形图像的编码和解码过程。编码信息被记录在具有100个写入层的记录介质中，其x-z垂直截面是通过多次x-y扫描重建的。图1b展示了制作AIE-DDPR薄膜的空白盘（未写入信息）的工作流程。整个过程与常规数字多功能光盘（DVD）批量生产的标准工作流程兼容，并可在6分钟内完成。典型的过程包括旋涂材料、扩散和空白盘成型。ODS具有高达1.6 Pb的容量，通过在作者的超薄单盘的两面记录100层，实现了与DVD尺寸相当的盘片区域。ODS可以存储与大型petabit级别的蓝光光盘库或HDD数据阵列相当的数据量，其面积密度是蓝光光盘库的103倍，是目前最先进的HDD的24倍。因此，通过堆叠1,000个petabit级别的纳米盘片，可以在一个房间内而不是体育场大小的空间内建立exabit（Eb）级别的数据中心。每个petabit级别的盘片能够取代传统的petabit级别的蓝光光盘库或HDD数据阵列，从而实现大量成本效益的exabit数据中心。 图1.纳米尺度光学书写和读取在空白的AIE-DDPR盘上的原理及生产工作流程。为了实现纳米级光学数据存储（ODS）的最大面积密度，作者尝试尽可能多地将层写入记录介质。图2a所示成功地在提出的AIE-DDPR膜上实现了高达100层的写入和读取。膜中的写入深度为100µm，受物镜的工作距离限制。作者将相邻层之间的距离最小化为1µm，以将切片数量最大化为100。具体来说，作者交替将学院和大学徽章（“SIOM”和“USST”）的图像写入3D体积中。作者发现，偶数层和奇数层具有清晰的交替图案，没有串扰。在深层的写入空间分辨率被发现与顶层的写入空间分辨率相当，如图2b所示，比较了顶层（第8和第9层）、中间层（第58和第59层）和底层（第95和第96层）的徽章。在创建一个三维纳米级光学数据存储设备的原型时，从将数据编码（例如图像、音频或视频）转换为二进制位开始，然后利用介质记录位，逐位检索信号（如图2c所示），最后解码位以重建原始的数字文件是至关重要的方面。根据图2c中显示的红色框，作者获得了强度剖面（如图2d所示），显示了平均横向轨道间距为180nm。树的原始8位图像（16×16）及其对应的召回图像如图2e所示。尽管生成图像中树的颜色略有失真，由于误码率为0.33％，但基于多层纳米级ODS的编码和解码过程的原型表现良好。 图2. 100层体积纳米尺度ODS和数字模式编码与解码的演示。接着，图3a展示了HPS-ITX-DTPA的三种不同状态，即胶体状态、经过紫外光暴露后的状态以及经过高度聚焦的飞秒激光束照射后的状态。在胶体状态下（第一状态），HPS-ITX-DTPA只发出少量荧光。然后，将旋涂的HPS-ITX-DTPA在基底盘上用紫外光固化，导致转变为固态并导致初步聚合成均匀交联的薄膜（第二状态）。随后，在515纳米飞秒写入激光束的辐照下，薄膜在第三状态下进一步聚合，其中AIE荧光显示出异常的亮度。三种状态的发射光谱如图3b、c所示。第三状态的光谱相对于第二状态具有红移，这可能是由于HPS的分子共平面化在薄膜的光聚合作用下得到了增强。随着515纳米飞秒激光束的书写功率增加，第三状态在读取范围（490-600nm）内的荧光发射增强。这种发射增强是由于周边苯环的旋转受限，阻止了非辐射能量消耗通路，以及HPS的周边苯环与硅烯环的共平面化，增加了共轭度，从而增加了辐射衰减速率之间的协同作用。通过测量寿命（图3d）和量子产率，可以量化具有不同参数的控制样品的辐射和非辐射衰减速率。此外，拉曼光谱测量（图3e）显示，随着激光束的书写功率的增加，聚合度增加。这表明，飞秒激光照明引起的聚合度提高增强了上述协同作用。 图3. 体积纳米尺度ODS原理示意图和AIE-DDPR薄膜特性表征。为了获得作者纳米级光学数据存储（ODS）的最大面积密度，作者研究了单个记录点的最小尺寸和最小轨道间距。如图4a所示，作者进一步研究了停用光束对书写点尺寸的影响，并发现随着停用光束功率的增加，点的横向尺寸减小，最终达到了54.6 ± 2.2 nm（约为λ/12）的最小亚衍射特征尺寸。此外，作者将书写点的共焦图像（即单光束读取）与超分辨率STED图像（即双光束读取）进行了比较。将莲花图案离散成相邻但分开的多个4×4点阵，这些点阵是由第一个515纳米飞秒激光束在没有（图4b）和有（图4c,d）639纳米连续波激光的停用光束下书写的。结果显示，在单光束书写配置下，无法清晰区分具有超分辨率中心到中心距离的两个相邻纳米级特征。然而，在双光束书写配置下，这些特征密集分布，同时保持了清晰的单独轮廓。此外，纳米级图案的超分辨率STED图像读取（图4c）与共焦图像读取（图4d）的比较表明，双光束STED成像机制对于准确区分具有纳米级轨道间距的紧密排列特征是不可或缺的。如图4e所示，最小轨道间距确定为70nm（约为λ/9），这决定了ODS系统的存储容量。作者得出结论，双光束配置的书写和读取对于纳米级ODS是必需的。
科学结论
科研人员利用双光束技术成功突破了光学衍射极限，首次实现了在三维空间中多至百层、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出。这项突破性技术使得单张光盘的存储容量高达Pb级，相当于至少一万张蓝光光盘的存储容量。换言之，在这项技术的推动下，存储全球一年数据所需的光盘数量相较于传统硬盘可以减少两个数量级，达到“以一抵百”的惊人效果。这一纳米光子存储技术的成功突破光学衍射极限，解决了光存储领域长期以来的物理学难题。这一突破不仅将为我国在存储领域带来重大进展，还将在航空航天、生物医学、卫星通信等多个领域展现出巨大潜力和广阔前景。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
