人們需要大容量存儲(chǔ)技術(shù)，來滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求。

然而，基于半導(dǎo)體閃存設(shè)備和硬盤驅(qū)動(dòng)器等主要存儲(chǔ)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心存在能耗負(fù)擔(dān)高、運(yùn)行成本高、壽命短等問題。光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(ODS)是一種有效的長期檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案。

盡管如此，ODS因其低容量和增加其面積密度的挑戰(zhàn)而受到限制。

在此，來自的上海理工大學(xué)的文靜、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的阮昊以及上海理工大學(xué)&張江實(shí)驗(yàn)室的顧敏院士等研究者為了解決以上問題，通過將平面記錄架構(gòu)擴(kuò)展到數(shù)百層的三維空間，同時(shí)打破記錄點(diǎn)的光學(xué)衍射極限屏障，將ODS的容量提高到PB級。相關(guān)論文以題為“A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity”于2024年02月21日發(fā)表在Nature上。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在當(dāng)今數(shù)字時(shí)代至關(guān)重要，但主流存儲(chǔ)設(shè)備如硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDDs)和半導(dǎo)體閃存設(shè)備在成本效益、耐用性和可持續(xù)性方面存在局限性。光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(ODS)系統(tǒng)是一種低成本、環(huán)保和高耐久性的選擇，為解決這些問題提供了一個(gè)有希望的解決方案。

然而，目前的ODS容量需要增加，以完全滿足數(shù)據(jù)中心的需求，但增加光學(xué)介質(zhì)的面積密度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

為了提高ODS設(shè)備的存儲(chǔ)容量，研究人員采用了兩種主要的方法，即多維和三維多層光存儲(chǔ)方法。不幸的是，由于傳統(tǒng)的光學(xué)衍射極限，這兩種方法在兩個(gè)相鄰記錄特征的間距方面都有基本的限制。利用目前兩種主要的全光存儲(chǔ)機(jī)制實(shí)現(xiàn)超分辨率ODS是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。基于光強(qiáng)和偏振態(tài)編碼的多維光存儲(chǔ)利用了金屬納米棒的等離子體特性和熔融石英中納米光柵的雙折射特性，缺乏像STED顯微鏡原理那樣的on-off開關(guān)特性。

此外，在光致變色材料、光折變聚合物或晶體上的三維多層光存儲(chǔ)采用雙光子書寫，不存在路徑被抑制的問題。最近，一些具有開關(guān)特性的其他方法的出現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了亞衍射位間距。例如，開發(fā)了一種可逆可切換增強(qiáng)綠色熒光蛋白(rsEGFP)，以約200 nm(約λ/3，其中書寫光束的波長為λ = 532 nm)的亞衍射位距記錄和探測特征。鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與氧化石墨烯結(jié)合被用于光學(xué)書寫，其位距約為195 nm(約λ/5，其中書寫光束的波長為λ = 980 nm)。

然而，rsEGFP的生命周期較短，不適合處理長期的ODS。上轉(zhuǎn)換納米顆粒缺乏在光敏材料上擴(kuò)散的納米顆粒的摻雜均勻性，因此不適合體積型ODS。因此，實(shí)現(xiàn)納米級位元，特別是體積ODS，打破衍射極限障礙，仍然具有挑戰(zhàn)性。

在此，研究者開發(fā)了一種新型ODS介質(zhì)——具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)發(fā)光原(AIE-DDPR)的染料摻雜光刻膠(DDPR)。首先，為了記錄數(shù)據(jù)，在具有三重三重吸收機(jī)制的DDPR薄膜上完成了納米級光學(xué)刻寫，通過甜甜圈光束有效地阻止了聚合。其次，在數(shù)據(jù)檢索方面，研究者采用光激發(fā)AIE (OS-AIE)機(jī)制來增強(qiáng)飛秒激光聚焦區(qū)域的熒光發(fā)射。與STED原理類似，這種OS-AIE現(xiàn)象具有開關(guān)特性，可以通過滅能束抑制，以區(qū)分納米級記錄點(diǎn)。

AIE-DDPR記錄薄膜在面積密度方面優(yōu)于其他光學(xué)系統(tǒng)和HDDs。研究者的技術(shù)達(dá)到的面積密度約是基于金納米棒的多層五維光盤的125倍，是基于rsEGFP的超分辨率全光存儲(chǔ)的1600倍，是目前最先進(jìn)的HDDs的24倍。

圖1. 空白AIE-DDPR光盤納米級光學(xué)讀寫原理及生產(chǎn)流程

圖2. 100層納米級體積ODS及數(shù)字模式編解碼演示

圖3. 納米級體積ODS原理示意圖及AIE-DDPR膜的表征概要

圖4. 孤立和緊密排列的記錄特征的成像

綜上所述，研究者采用AIE-DDPR薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)，研制了納米級體積ODS系統(tǒng)。這些包括每個(gè)層的最小光斑尺寸和橫向軌道間距分別為54 nm(約λ/12)和70 nm(約λ/9)，此外，層間軸向間距為1μ m(約1.6λ)。此外，可以在兩側(cè)記錄多達(dá)100層的能力將ODS的容量提高到1.6 PB，相當(dāng)于一個(gè)DVD-大小的磁盤。

這些顯著的優(yōu)勢表明，與最先進(jìn)的光盤庫和硬盤數(shù)據(jù)陣列相比，以工業(yè)為導(dǎo)向的下一代納米級ODS的開發(fā)成本要低得多，將滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

然而，盡管研究者已經(jīng)大幅提高了存儲(chǔ)的面積密度，但仍然需要進(jìn)一步提高寫入速度和能源效率。這可以通過使用比當(dāng)前系統(tǒng)中使用的具有更高重復(fù)率和更靈敏的光刻膠的飛秒激光束來實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，研究者成功地證明了飛秒激光激發(fā)的OS-AIE現(xiàn)象，這對AIE領(lǐng)域具有重要意義。研究者采用的光刺激技術(shù)是一種時(shí)空控制AIE的創(chuàng)新方法，為該領(lǐng)域的研究和發(fā)展開辟了新途徑，特別是在探索OS-AIE在提高用于高分辨率顯示器的有機(jī)發(fā)光二極管和用于高質(zhì)量生物成像的熒光納米顆粒的發(fā)射效率方面的潛在應(yīng)用。

此外，研究者制作的可時(shí)空控制的納米級發(fā)光光源，將有助于發(fā)現(xiàn)光子芯片光源的材料和方法。