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，在超大容量三維超分辨光存儲研究中取得突破性進展。研究團隊利用國際首創的雙光束調控聚集誘導發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“卡脖子”障礙、實現數字經濟的可持續發展具有重大意義。相關研究成果于2024年2月22日發表于《自然》（Nature）雜志。
光存儲技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長達50—100年的獨特優勢，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。
Pb級光盤制備及讀寫方式示意圖
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多年的發展，在顯微成像、激光納米光刻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下極易發生熒光猝滅，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。
超分辨信息記錄結果
自20世紀80年代，上海光機所干福熹院士開創了我國數字光盤存儲技術的研究，上海光機所團隊一直深耕光存儲領域。依托于豐厚的研究基礎和創新技術方案，基于雙光束超分辨技術及聚集誘導發光光刻膠材料相結合，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1.6Pb。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。
100層記錄和二進制編碼譯碼復原結果
從光學顯微技術，到當今“卡脖子”技術的光刻機，再到光存儲技術，無一不被光學衍射極限所限制。在2021年Science發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“卡脖子”障礙，將在大數據數字經濟中發揮重大作用，以滿足信息產業領域的重大需求。
光盤實物照片
未來，研究團隊將加快原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的集成化和產業化進程，并拓展其在顯微成像、光刻、傳感、光信息處理領域的交叉應用，產出更多更優秀的創新成果。
