人們需要大容量存儲技術，來滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求。

然而，基于半導體閃存設備和硬盤驅動器等主要存儲技術的數(shù)據(jù)中心存在能耗負擔高、運行成本高、壽命短等問題。光數(shù)據(jù)存儲(ODS)是一種有效的長期檔案數(shù)據(jù)存儲解決方案。

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的文靜、中國科學院上海光學精密機械研究所的阮昊以及上海理工大學&張江實驗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擴展到數(shù)百層的三維空間，同時打破記錄點的光學衍射極限屏障，將ODS的容量提高到PB級。相關論文以題為“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，在當今數(shù)字時代至關重要，但主流存儲設備如硬盤驅動器(HDDs)和半導體閃存設備在成本效益、耐用性和可持續(xù)性方面存在局限性。光數(shù)據(jù)存儲(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，但增加光學介質的面積密度仍然是一個挑戰(zhàn)。

為了提高ODS設備的存儲容量，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方法。不幸的是，由于傳統(tǒng)的光學衍射極限，這兩種方法在兩個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機制實現(xiàn)超分辨率ODS是一項具有挑戰(zhàn)性的工作?；诠鈴姾推駪B(tài)編碼的多維光存儲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，一些具有開關特性的其他方法的出現(xiàn)已經(jīng)實現(xiàn)了亞衍射位間距。例如，開發(fā)了一種可逆可切換增強綠色熒光蛋白(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。鑭系摻雜上轉換納米顆粒與氧化石墨烯結合被用于光學書寫，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。上轉換納米顆粒缺乏在光敏材料上擴散的納米顆粒的摻雜均勻性，因此不適合體積型ODS。因此，實現(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——具有聚集誘導發(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制的DDPR薄膜上完成了納米級光學刻寫，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)機制來增強飛秒激光聚焦區(qū)域的熒光發(fā)射。與STED原理類似，這種OS-AIE現(xiàn)象具有開關特性，可以通過滅能束抑制，以區(qū)分納米級記錄點。

AIE-DDPR記錄薄膜在面積密度方面優(yōu)于其他光學系統(tǒng)和HDDs。研究者的技術達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的1600倍，是目前最先進的HDDs的24倍。

圖1. 空白AIE-DDPR光盤納米級光學讀寫原理及生產流程

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薄膜作為存儲介質，研制了納米級體積ODS系統(tǒng)。這些包括每個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，可以在兩側記錄多達100層的能力將ODS的容量提高到1.6 PB，相當于一個DVD-大小的磁盤。

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

然而，盡管研究者已經(jīng)大幅提高了存儲的面積密度，但仍然需要進一步提高寫入速度和能源效率。這可以通過使用比當前系統(tǒng)中使用的具有更高重復率和更靈敏的光刻膠的飛秒激光束來實現(xiàn)。

同時，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領域具有重要意義。研究者采用的光刺激技術是一種時空控制AIE的創(chuàng)新方法，為該領域的研究和發(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發(fā)光二極管和用于高質量生物成像的熒光納米顆粒的發(fā)射效率方面的潛在應用。

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