突破！超分辨光盘研制成功，在国际上首次实现Pb量级光存储

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本文转自：人民日报客户端

黄晓慧

2月22日，国际期刊《自然》（Nature）发表了我国科学家在光存储研究中的突破性进展。这项研究由中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54纳米、道间距为70纳米的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级。这项研究成果对于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。

据介绍，光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50至100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据。然而，受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在100GB量级。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量，一直是光存储研究领域的不懈追求。

1994年，德国科学家斯特凡·W·赫尔教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖。经过20多年的发展，科学家们在显微成像、激光纳米直写等领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到解决。然而，传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质，是近10多年来光存储研究领域一直亟待解决的难题。从光学显微技术到光存储技术，都被光学衍射极限所限制。在2021年，国际期刊《科学》（Science）发布的全世界最前沿的125个科学问题中，“突破衍射极限限制”在物理领域居第一位。

2016年，在中国工程院外籍院士顾敏教授的推动下，由上海市科委发起，上海光机所和上海理工大学等单位承担的光存储攻关计划，向这一世界难题发起挑战。该篇论文第一作者之一、上海光机所空天激光技术与系统部博士后赵苗说，上海光机所40多年在光存储领域的技术积累以及课题组多位同事的试验积累，为他的研究打下了坚实的基础。

早在上世纪80年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，研究团队一直深耕光存储领域。依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，研发团队基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光存储介质，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54纳米、道间距为70纳米的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5：1。 这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。

该论文审稿人评价认为，这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术。与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度。研究成果可能带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题。

该论文通讯作者之一、上海光机所空天激光技术与系统部研究员阮昊表示，超分辨光盘的成功研制，在信息写入和读出都突破了衍射极限限制这一物理学难题，原来需要用一个房间才装得下的大数据量将有望缩小到一个盒子大小，有助于我国在存储领域突破关键核心技术，将满足信息产业领域的重大需求，为数据中心扩容和降本增效发挥作用。

阮昊还表示，未来，研究团队将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。他希望这项研究成果的发表，能引起学界和产业界的广泛关注，吸引更多的研发团队加入，共同推动后续的产业化进程。