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存儲容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”誕生了。
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“超級光盤”實物圖。上海光機所供圖
中國工程院外籍院士、上海理工大學光子芯片研究院院長顧敏與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）研究員阮昊、上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授文靜等合作，在存儲領域突破光學衍射極限，研發出超大容量納米級三維光盤存儲器，實現顛覆性的劃時代光存儲。相關研究成果近日發表于《自然》。
相比當前最先進的光盤庫和硬盤驅動器數據陣列，“超級光盤”成本更低、能耗更少，將助推大數據時代數據存儲的升級換代。“可以說，我們團隊登上了這一領域的‘珠穆朗瑪峰’。”論文通訊作者之一顧敏說。
“百里挑一”選材料
巴掌大的DVD光盤擁有1.6Pb存儲量，相當于一個小型數據中心，這是如何做到的？
據介紹，“超級光盤”研究有兩個關鍵創新——找到適宜的聚集誘導發光材料、用飛秒激光調控性能。將兩者結合在一起，可以突破光學衍射極限，實現穩定地“寫入”和“讀出”。
但實現這項突破絕非一日之功。突破衍射極限是物理學的一大難題，衍射效應會限制顯微成像的分辨能力，讓人們難以窺見物質的細節。而實現超大容量光存儲，除了需要“見微”，還需要在適宜材料上長時間穩定讀寫。能否突破光學和材料學的學科壁壘，成為最近10余年來光存儲領域的棘手問題。
2013年，顧敏帶領團隊首次利用雙光束超分辨原理突破光學衍射極限，創造9納米特征尺寸的世界紀錄。但受限于材料，寫入的存儲仍難以實現穩定讀出。
如何在讀寫兩條通道上突破衍射極限、掃除材料障礙，實現超大容量光存儲呢？
這一問題始終縈繞在顧敏心頭，他帶領合作團隊展開攻關，希望核心技術落在祖國大地上。彼時，在中國科學院院士干福熹的帶領下，上海光機所作為我國最早開展數字光盤存儲技術研究的科研機構也在進行相關布局。
在全球數據存儲市場，主流光盤和固態硬盤領域一直被日美公司壟斷。如果我國在大容量光存儲領域取得突破，將有機會在數據存儲方面實現“變道超車”。
論文通訊作者之一阮昊介紹，傳統發光染料材料在聚集狀態下極易發生熒光猝滅，造成信息丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲淹沒的難題，導致超分辨的信息難以讀出。由于其通常依賴電鏡掃描的讀出方式，因而限制了超分辨技術在光存儲領域中的應用。
為了找到理想的材料，研究團隊采用高通量的方法，即一次做數百種材料，逐個驗證哪種最合適。“當時把所有材料列出來之后，大家都很頭痛，因為這既涉及光，又涉及材料。合作團隊之間因為知識體系差異，也難以高效交流。”阮昊回憶說。
研究團隊用了5年時間不斷摸索，排除了很多錯誤選項，直到2021年初，才“百里挑一”選出理想材料。
“我們選用的聚集誘導發光染料材料像有6片葉子的‘發光風車’，‘風車’轉得越快，消耗的動能越多，對外發的光就越少。要讓‘風車’發光更強，就要讓它轉慢一些。我們把‘風車’放在有機樹脂薄膜里，用兩束飛秒激光照射，就能讓它們像天上的星星一樣發出更強的光。”論文共同第一作者兼通訊作者文靜比喻說，這使其可以超越衍射極限，分辨出兩個相鄰點的距離，實現精確讀寫。
“極致”背后
單盤等效容量1.6Pb、層數多達100層、厚度僅1.2毫米……追求極致始終貫穿合作團隊的整個研究過程，他們盡可能把每個參數做到極限。
創新之路伴隨著孤獨和壓力。“接觸這個課題的時候，很多人覺得不太可能做成功。在各個科研團隊之間毫無保留的合作與共享下，大家不斷嘗試，最終攻克難題。”論文第一作者、上海光機所博士后趙苗在接受《中國科學報》采訪時說。
從碩士、博士到博士后，趙苗的大部分精力都放在了研究超大容量光存儲器上。但研究得越深，他感覺離目標越遠。研究進行到第4年，看著身邊的同學一個個發表了論文，而自己的研究卻遲遲沒有突破，趙苗的心理壓力越來越大，偶爾還閃過放棄的念頭。
“有時覺得不行就拉倒，拿不到畢業證書也認了。后來，上海光機所55周年所慶時顧敏院士來所里宣講，給了我很多指導意見，分享了許多寶貴經驗，加快了整個研究的進度。”趙苗說。
為了補充實驗數據，身為媽媽的文靜直接“離家出走”幾個月。她跟家里人開玩笑說：“論文一審我要竭盡全力，這是我的第二次‘高考’，娃兒就交給你們啦。”后來，論文到了二審階段，她又跟家里人交代孩子的事情，家里人反倒開玩笑說：“現在是到‘中考’了嗎？”
盡管這項研究投稿過程“很順”——2023年4月投稿，送審后3周就收到3位審稿人的積極回復，不過，仍有幾十個問題要進一步提供數據支持。文靜和趙苗再次像以往一樣開始“倒班制”——趙苗凌晨做完實驗，早上文靜拿到數據就開始分析。
文靜表示，好的參數無法一蹴而就，而是反復優化、一點點“磨”出來的。她記得有一次和趙苗把數據整理好后，很欣喜地向顧敏匯報記錄層已經做到30層。“我們自認為做得很好，會得到表揚，卻沒料到顧老師當即嚴肅地提出是否可以優化到100層，他的鞭策讓我們馬不停蹄地繼續趕實驗。”
除了團隊內部合作，超大容量光盤存儲器的成功也離不開外部科研機構的助力。國家蛋白質科學中心的顯微鏡設備對外開放，實驗預約很滿。為了趕時間，趙苗經常橫跨大半個上海，趁國家蛋白質科學中心晚上沒人時做實驗。他的堅持，該中心的管理員看在眼里，特地在夜間為其“開綠燈”。
10年有望形成產業
在當前數字經濟時代，硬盤驅動器、半導體閃光器件等主要存儲設備在能耗、壽命和成本方面都存在局限。
阮昊表示，當前固態硬盤發展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰。而半導體存儲成本很高、壽命較短、數據容易丟失。光存儲則能有效解決這些問題，因而是未來大數據、人工智能發展的一塊基石。
據介紹，目前相關研究已申請專利，下一步的目標是走向產業界。不過，盡管研究團隊已大幅增加存儲的面積密度，但要實現產業化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多個方面仍有待進一步提升，在大規模生產方面也需要繼續摸索。
阮昊表示，未來產業化還涉及技術路線圖的布局。“我國在2000年左右就制定了半導體存儲、集成電路發展的技術路線圖。推動光存儲技術的發展，也要在突破原理后制定相關的路線圖，才能吸引企業投資。”
“如果經費有保障，通過和國內相關企業合作，估計10年左右就可以形成產業，占據主流市場，帶來投資回報。”顧敏補充說。