作者:冯丽妃,江庆龄 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/26 10:37:51
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拼上“珠峰”!他们如何做出划时代“超级光盘”

 

中国工程院外籍院士、上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏与中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)研究员阮昊、上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授文静等合作,在存储领域突破光学衍射极限限制,研发出超大容量纳米级三维光盘存储器,实现颠覆性的划时代光储存。相关研究发表于2月22日发表于《自然》。

“超级光盘”比当前最先进的光盘库和硬盘驱动器数据阵列成本更低、能耗更少,将助推大数据时代数据存储的升级换代。“可以说,我们团队拼上了这一领域的‘珠穆朗玛峰’。”论文通讯作者之一、上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏院士说。

上海光机所 供图

“百里挑一”选材料

让巴掌大的DVD光盘内装下1.6 Pb的存储量,相当于一个小型数据中心的数据量。研究团队是如何做到的?

据介绍,这项研究有两个关键创新:找到适宜的聚集诱导发光材料;用飞秒激光调控它的性能。将两者结合在一起,可以突破光的衍射极限,实现稳定地“写入”和“读出”。

说易行难,实现这项“从0到1”的突破绝非一日之功。突破衍射极限是物理学的一大难题,衍射效应会限制显微成像的分辨能力,让人们难以窥见物质的细节。而实现超大容量光储存,除了需要能“见微”,还需要能在适宜的材料上长时间稳定读写。能否突破光学和材料学的学科壁垒,成为近十余年来光存储领域的棘手问题。

1994年,德国化学家Stefan Hell提出受激辐射损耗显微技术,证明了光学衍射极限能够被打破,使得通过超分辨“见微”的问题得到解决,也使其获得2014年诺贝尔化学奖。但Hell在超大容量光存储方面的研究却因材料限制而被中断,2011年,他通过生物蛋白材料尝试Pb级光储存读写,因其只能存储48小时,且分辨参数较大(200纳米),而难以作为存储材料。

2013年,顾敏带领团队首次利用双光束超分辨原理突破激光直接技术的光学衍射极限,获得9纳米特征尺寸的世界纪录。但受限于材料,对于写入的存储仍难以实现稳定读出。

如何在读写两个通道上突破衍射极限,攻克材料障碍,实现超大容量光储存?

问题萦绕在顾敏心头,他带领合作团队一起攻关,希望让核心技术及知识产权从澳大利亚转而落地在祖国的大地上。

彼时,在中国科学院院士干福熹的带领下,上海光机所作为我国最早开展数字光盘存储技术的科研机构也在进行相关布局。

在全球数据储存市场,主流光盘和固态硬盘领域一直被日美公司垄断。如果我国在大容量光储存领域获得突破,将有机会在数据存储方面实现“弯道超车”。

论文通讯作者之一、上海光机所研究员阮昊介绍,传统发光染料材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。

为了找到理想的材料,研究团队甚至想用高通量的方法,即一次做数百种材料,逐个验证哪种最合适。“当时把所有材料列出来之后,大家很头疼,因为既涉及到光,又涉及到材料,合作团队之间因为知识体系差异,难以高效交流。”阮昊回忆。

直到2021年初,研究团队用了5年时间不断摸索,排除了很多错误选项,才“百里挑一”选出理想材料。

“我们选用的聚集诱导发光AIE染料像有6片叶子的‘发光风车’,如果风车转得越快,消耗的动能多,它对外发的光就越少。要让风车发光更强,就要让它转慢一些。我们把风车放在有机树脂薄膜里,用两束飞秒激光去照射,就能像天上的星星一样,让它们对外发出更强的光。”论文共同第一兼通讯作者、上海理工大学教授文静比喻说,这使其可以超越衍射极限,分辨出两个相邻点的距离,实现精确读写。

“极致”背后

单盘等效容量1.6 Pb,层数多达100层,厚度仅1.2毫米……追求极致始终贯穿合作团队的整个研究过程,他们尽可能把每个参数做到最大极限。

创新之路伴随着孤独和压力。“接触这个课题的时候,很多人都觉得不太可能做出来。在各个科研团队之间毫无保留的合作与共享下,大家不断尝试,最终克服难题。”论文第一作者、上海光机所博士后赵苗在接受《中国科学报》采访时说。

从硕士、博士到博士后,赵苗的大部分精力都放在了超大容量光存储器上。他记得,2017年他到上海光机所复试,当时百度云盘很火,他对储存技术很感兴趣,就被招进研究光存储的阮昊课题组。当时,他心里有一些小确幸:“合作的老师们给予了大量支持,可以说,别人只有 1 位师父,我有 6 位,可以 24 小时保持联系。”

“这就像练最顶尖的武功,别人只有一部秘籍,我有6部,这本身就是一件很有意思的事情。”他回忆说。

但研究得越深,他越感觉到目标之难。研究进行到第四年,赵苗眼见身边的同学一个个发出论文,而自己的研究迟迟不能突破,压力越来越大,心里也偶尔闪过放弃的念头。

“有时觉得不行就拉倒算了,拿不到毕业证书也认了。后来,上海光机所55周年所庆时顾敏院士来所里宣讲,他也给了我很多指导意见,分享了许多宝贵经验,加快了整个研究的进度。”赵苗说。

作为团队里的女科学家,文静除了做研究,还要给学生上课、给孩子辅导功课,晚上经常工作到凌晨。有一段时间,为了补充实验数据,她直接从家里“消失”了好几个月,她跟家里人开玩笑:“论文一审我要尽全力回复,这是我的第二次‘高考’,娃就交给你们啦”。后来,论文到了二审阶段,她又跟家里人交代娃的事情,家里人反倒开玩笑说:“现在是‘中考’了吗?”。

尽管这项研究投稿过程“很顺”,2023年4月投稿,送审后3周就接到三位审稿人积极回复,不过,仍有几十个问题要进一步提供数据支持。文静和赵苗再次像以往一样开始“倒班制”,工作到深夜赶进度。赵苗凌晨做完实验,早上文静拿到数据就开始分析。

文静表示,好的参数无法一蹴而就,而是反复优化,一点点地“磨出来的”。她记得有一次和赵苗把数据整理好后,很欣喜地向顾敏汇报记录层已经做到30层。“我们自认为做得很好,会得到表扬,却没料到顾老师当即严肃地提出是否可以优化到100层,他的鞭策让我们马不停蹄地继续赶实验。”她说。

除了团队内部的合作,超大容量光盘存储器的成功也得到了外部科研机构的助力。国家蛋白质科学中心的显微镜设备对外开放,实验预约很满。为了赶时间,赵苗经常横跨大半个上海,趁国家蛋白质科学中心晚上没人时做实验。他的坚持让该中心的管理员看在眼里,特地在夜间“开绿灯”。

10年或形成产业

在当前数字经济时代,硬盘驱动器、半导体闪光器件等主要存储设备在能耗、寿命和成本方面都存在局限。以2022年为例,顾敏表示,我国数据中心总耗电量约2700亿千瓦时,超过2座三峡水电站的年发电量。特别是每隔3到10年需要定期进行数据迁移,带来数据被篡改或丢失的风险,且存储寿命短。

阮昊也表示,当前固态硬盘发展也接近极限,要做得更小,有很大挑战。而半导体存储成本很高、寿命比较短、数据容易丢失。光存储则能有效解决这些问题,因而是未来大数据人工智能的一个基石。

据介绍,目前相关研究已申请专利,下一步的目标是走向产业界。尽管目前研究团队已大幅增加存储的面积密度,但如果要走向产业化,在写入和读取速度以及能源效率等多个方面仍待进一步提升,在实现产业化的大规模生产方面也需要摸索。

阮昊表示,未来产业化还涉及技术路线图的布局。“我国在2000年左右就制定了半导体存储、集成电路发展的技术路线图,要推动光存储技术的发展,也要在突破原理后,制定相关的路线图,才能吸引企业投资。”他说。

虽然当前距离超大容量光存储产业化仍存在挑战,但顾敏表示:“如果经费有保障,通过和相关国内企业合作,估计10年左右可以形成产业,占据主流市场,带来投资回报。”

 

 

 
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