近日，中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）與上海理工大學等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得突破性進展。研究團隊利用國際首創(chuàng)的雙光束調控聚集誘導發(fā)光超分辨光存儲技術，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級，對于我國在信息存儲領域突破關鍵核心技術、實現數字經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關研究成果于2024年2月22日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志。論文第一作者單位為上海光機所，通訊作者為上海光機所阮昊研究員和上海理工大學光子芯片研究院院長顧敏院士，上海理工大學文靜教授。上海光機所博士后趙苗和上海理工大學文靜教授為并列第一作者。

光存儲技術具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長達50~100年的獨特優(yōu)勢，非常適合長期低成本存儲海量數據，然而受到衍射極限的限制，傳統商用光盤的最大容量僅在百GB量級。在信息量日益增長的大數據時代，突破衍射極限、縮小信息點尺寸、提高單盤存儲容量長久以來一直都是光存儲領域的不懈追求。

1994年德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術，首次證明了光學衍射極限能夠被打破，并在2014年獲得諾貝爾化學獎，經過20多年的發(fā)展，在顯微成像、激光納米直寫等多個領域實現了光學超分辨成果，信息的超分辨寫入已經得到了解決。然而傳統染料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)生熒光猝滅，造成信息的丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲湮沒的難題，導致超分辨的信息難以讀出，通常依賴電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術在光存儲領域中的應用。因此，發(fā)展可同步實現超分辨寫、超分辨讀、三維存儲及長壽命介質是10多年來光存儲研究領域亟待解決的難題。

圖1  Pb級光盤制備及讀寫方式示意圖（圖源:Nature）

上世紀八十年代，上海光機所干福熹院士開創(chuàng)了我國數字光盤存儲技術的研究，研究團隊一直深耕光存儲領域。依托于豐厚的研究基礎和創(chuàng)新技術方案，基于雙光束超分辨技術及聚集誘導發(fā)光存儲介質，在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6 Pb。經老化加速測試，光盤介質壽命大于40年，加速重復讀取后熒光對比度仍高達20.5：1。這是國際上首次實現Pb量級的超大容量光存儲，得到了審稿人的高度評價：“這是一種具有突破性創(chuàng)新的Pb級光存儲技術…”“與現有其它技術相比，該技術在性能方面提供了最高的光存儲面密度…”“研究成果可能會帶來數據中心檔案數據存儲的突破，解決大容量和節(jié)能的存儲技術難題…”。

圖2 超分辨信息記錄結果（圖源:Nature）

圖3 100層記錄和二進制編碼譯碼復原結果（圖源:Nature）

從光學顯微技術到光存儲技術，都被光學衍射極限所限制。在2021年Science發(fā)布的全世界最前沿的125個科學問題中，突破衍射極限限制更是在物理領域高居首位。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難題，有助于我國在存儲領域突破關鍵核心技術，將在大數據數字經濟中發(fā)揮重大作用，以滿足信息產業(yè)領域的重大需求。

圖4 光盤實物照片（圖源:Nature）

未來，研究團隊將加快原始創(chuàng)新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的集成化和產業(yè)化進程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理領域的交叉應用，產出更多更優(yōu)秀的創(chuàng)新成果。

圖5 前排從左至右：論文通訊作者阮昊，共同第一作者趙苗

后排從左至右：研究人員胡巧、尹教成