作者:冯丽妃,江庆龄 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/14 14:04:28
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存储容量是普通光盘上万倍
“超级光盘”是这样诞生的

 

存储容量是普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的“超级光盘”诞生了。

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“超级光盘”实物图。上海光机所供图

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,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存储。相关研究成果近日发表于《自然》。

相比当前最先进的光盘库和硬盘驱动器数据阵列,“超级光盘”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,我们团队登上了这一领域的‘珠穆朗玛峰’。”论文通讯作者之一顾敏说。

“百里挑一”选材料

巴掌大的DVD光盘拥有1.6Pb存储量,相当于一个小型数据中心,这是如何做到的?

据介绍,“超级光盘”研究有两个关键创新——找到适宜的聚集诱导发光材料、用飞秒激光调控性能。将两者结合在一起,可以突破光学衍射极限,实现稳定地“写入”和“读出”。

但实现这项突破绝非一日之功。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。而实现超大容量光存储,除了需要“见微”,还需要在适宜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,成为最近10余年来光存储领域的棘手问题。

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

如何在读写两条通道上突破衍射极限、扫除材料障碍,实现超大容量光存储呢?

这一问题始终萦绕在顾敏心头,他带领合作团队展开攻关,希望核心技术落在祖国大地上。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研究的科研机构也在进行相关布局。

在全球数据存储市场,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存储领域取得突破,将有机会在数据存储方面实现“变道超车”。

论文通讯作者之一阮昊介绍,传统发光染料材料在聚集状态下极易发生荧光猝灭,造成信息丢失,在纳米尺度下还存在被背景噪声淹没的难题,导致超分辨的信息难以读出。由于其通常依赖电镜扫描的读出方式,因而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,研究团队采用高通量的方法,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,大家都很头痛,因为这既涉及光,又涉及材料。合作团队之间因为知识体系差异,也难以高效交流。”阮昊回忆说。

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

“我们选用的聚集诱导发光染料材料像有6片叶子的‘发光风车’,‘风车’转得越快,消耗的动能越多,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,用两束飞秒激光照射,就能让它们像天上的星星一样发出更强的光。”论文共同第一作者兼通讯作者文静比喻说,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1.6Pb、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,很多人觉得不太可能做成功。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,最终攻克难题。”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研究超大容量光存储器上。但研究得越深,他感觉离目标越远。研究进行到第4年,看着身边的同学一个个发表了论文,而自己的研究却迟迟没有突破,赵苗的心理压力越来越大,偶尔还闪过放弃的念头。

“有时觉得不行就拉倒,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,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。

为了补充实验数据,身为妈妈的文静直接“离家出走”几个月。她跟家里人开玩笑说:“论文一审我要竭尽全力,这是我的第二次‘高考’,娃儿就交给你们啦。”后来,论文到了二审阶段,她又跟家里人交代孩子的事情,家里人反倒开玩笑说:“现在是到‘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周就收到3位审稿人的积极回复,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”——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“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。”

除了团队内部合作,超大容量光盘存储器的成功也离不开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,该中心的管理员看在眼里,特地在夜间为其“开绿灯”。

10年有望形成产业

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。

阮昊表示,当前固态硬盘发展接近极限,要做得更小,面临很大挑战。而半导体存储成本很高、寿命较短、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、人工智能发展的一块基石。

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。不过,尽管研究团队已大幅增加存储的面积密度,但要实现产业化,在写入和读取速度以及能源效率等多个方面仍有待进一步提升,在大规模生产方面也需要继续摸索。

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。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。”

“如果经费有保障,通过和国内相关企业合作,估计10年左右就可以形成产业,占据主流市场,带来投资回报。”顾敏补充说。

《中国科学报》 (2024-03-14 第3版 综合)
 
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