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存儲(chǔ)容量是普通光盤上萬(wàn)倍、普通硬盤上百倍的“超級(jí)光盤”誕生了。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

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“超級(jí)光盤”實(shí)物圖。上海光機(jī)所供圖
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中國(guó)工程院外籍院士、上海理工大學(xué)光子芯片研究院院長(zhǎng)顧敏與中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱上海光機(jī)所）研究員阮昊、上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授文靜等合作，在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破光學(xué)衍射極限，研發(fā)出超大容量納米級(jí)三維光盤存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)顛覆性的劃時(shí)代光存儲(chǔ)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

相比當(dāng)前最先進(jìn)的光盤庫(kù)和硬盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)陣列，“超級(jí)光盤”成本更低、能耗更少，將助推大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的升級(jí)換代?！翱梢哉f(shuō)，我們團(tuán)隊(duì)登上了這一領(lǐng)域的‘珠穆朗瑪峰’?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧活櫭粽f(shuō)。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“百里挑一”選材料9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

巴掌大的DVD光盤擁有1.6Pb存儲(chǔ)量，相當(dāng)于一個(gè)小型數(shù)據(jù)中心，這是如何做到的？9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

據(jù)介紹，“超級(jí)光盤”研究有兩個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新——找到適宜的聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料、用飛秒激光調(diào)控性能。將兩者結(jié)合在一起，可以突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地“寫入”和“讀出”。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

但實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)突破絕非一日之功。突破衍射極限是物理學(xué)的一大難題，衍射效應(yīng)會(huì)限制顯微成像的分辨能力，讓人們難以窺見物質(zhì)的細(xì)節(jié)。而實(shí)現(xiàn)超大容量光存儲(chǔ)，除了需要“見微”，還需要在適宜材料上長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定讀寫。能否突破光學(xué)和材料學(xué)的學(xué)科壁壘，成為最近10余年來(lái)光存儲(chǔ)領(lǐng)域的棘手問(wèn)題。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

2013年，顧敏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次利用雙光束超分辨原理突破光學(xué)衍射極限，創(chuàng)造9納米特征尺寸的世界紀(jì)錄。但受限于材料，寫入的存儲(chǔ)仍難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定讀出。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

如何在讀寫兩條通道上突破衍射極限、掃除材料障礙，實(shí)現(xiàn)超大容量光存儲(chǔ)呢？9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

這一問(wèn)題始終縈繞在顧敏心頭，他帶領(lǐng)合作團(tuán)隊(duì)展開攻關(guān)，希望核心技術(shù)落在祖國(guó)大地上。彼時(shí)，在中國(guó)科學(xué)院院士干福熹的帶領(lǐng)下，上海光機(jī)所作為我國(guó)最早開展數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)研究的科研機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行相關(guān)布局。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

在全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)市場(chǎng)，主流光盤和固態(tài)硬盤領(lǐng)域一直被日美公司壟斷。如果我國(guó)在大容量光存儲(chǔ)領(lǐng)域取得突破，將有機(jī)會(huì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面實(shí)現(xiàn)“變道超車”。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

論文通訊作者之一阮昊介紹，傳統(tǒng)發(fā)光染料材料在聚集狀態(tài)下極易發(fā)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(dǎo)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(shù)在光存儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

為了找到理想的材料，研究團(tuán)隊(duì)采用高通量的方法，即一次做數(shù)百種材料，逐個(gè)驗(yàn)證哪種最合適?！爱?dāng)時(shí)把所有材料列出來(lái)之后，大家都很頭痛，因?yàn)檫@既涉及光，又涉及材料。合作團(tuán)隊(duì)之間因?yàn)橹R(shí)體系差異，也難以高效交流?！比铌换貞浾f(shuō)。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

研究團(tuán)隊(duì)用了5年時(shí)間不斷摸索，排除了很多錯(cuò)誤選項(xiàng)，直到2021年初，才“百里挑一”選出理想材料。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“我們選用的聚集誘導(dǎo)發(fā)光染料材料像有6片葉子的‘發(fā)光風(fēng)車’，‘風(fēng)車’轉(zhuǎn)得越快，消耗的動(dòng)能越多，對(duì)外發(fā)的光就越少。要讓‘風(fēng)車’發(fā)光更強(qiáng)，就要讓它轉(zhuǎn)慢一些。我們把‘風(fēng)車’放在有機(jī)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(fā)出更強(qiáng)的光?！闭撐墓餐谝蛔髡呒嫱ㄓ嵶髡呶撵o比喻說(shuō)，這使其可以超越衍射極限，分辨出兩個(gè)相鄰點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)精確讀寫。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“極致”背后9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

單盤等效容量1.6Pb、層數(shù)多達(dá)100層、厚度僅1.2毫米……追求極致始終貫穿合作團(tuán)隊(duì)的整個(gè)研究過(guò)程，他們盡可能把每個(gè)參數(shù)做到極限。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

創(chuàng)新之路伴隨著孤獨(dú)和壓力?！敖佑|這個(gè)課題的時(shí)候，很多人覺得不太可能做成功。在各個(gè)科研團(tuán)隊(duì)之間毫無(wú)保留的合作與共享下，大家不斷嘗試，最終攻克難題?！闭撐牡谝蛔髡?、上海光機(jī)所博士后趙苗在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

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(chǔ)器上。但研究得越深，他感覺離目標(biāo)越遠(yuǎn)。研究進(jìn)行到第4年，看著身邊的同學(xué)一個(gè)個(gè)發(fā)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(lái)越大，偶爾還閃過(guò)放棄的念頭。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“有時(shí)覺得不行就拉倒，拿不到畢業(yè)證書也認(rèn)了。后來(lái)，上海光機(jī)所55周年所慶時(shí)顧敏院士來(lái)所里宣講，給了我很多指導(dǎo)意見，分享了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，加快了整個(gè)研究的進(jìn)度?！壁w苗說(shuō)。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

為了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，身為媽媽的文靜直接“離家出走”幾個(gè)月。她跟家里人開玩笑說(shuō)：“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(lái)，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(shuō)：“現(xiàn)在是到‘中考’了嗎？”9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

盡管這項(xiàng)研究投稿過(guò)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(fù)，不過(guò)，仍有幾十個(gè)問(wèn)題要進(jìn)一步提供數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)，早上文靜拿到數(shù)據(jù)就開始分析。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

文靜表示，好的參數(shù)無(wú)法一蹴而就，而是反復(fù)優(yōu)化、一點(diǎn)點(diǎn)“磨”出來(lái)的。她記得有一次和趙苗把數(shù)據(jù)整理好后，很欣喜地向顧敏匯報(bào)記錄層已經(jīng)做到30層?！拔覀冏哉J(rèn)為做得很好，會(huì)得到表?yè)P(yáng)，卻沒料到顧老師當(dāng)即嚴(yán)肅地提出是否可以優(yōu)化到100層，他的鞭策讓我們馬不停蹄地繼續(xù)趕實(shí)驗(yàn)。”9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

除了團(tuán)隊(duì)內(nèi)部合作，超大容量光盤存儲(chǔ)器的成功也離不開外部科研機(jī)構(gòu)的助力。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心的顯微鏡設(shè)備對(duì)外開放，實(shí)驗(yàn)預(yù)約很滿。為了趕時(shí)間，趙苗經(jīng)常橫跨大半個(gè)上海，趁國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心晚上沒人時(shí)做實(shí)驗(yàn)。他的堅(jiān)持，該中心的管理員看在眼里，特地在夜間為其“開綠燈”。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

10年有望形成產(chǎn)業(yè)9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

在當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，硬盤驅(qū)動(dòng)器、半導(dǎo)體閃光器件等主要存儲(chǔ)設(shè)備在能耗、壽命和成本方面都存在局限。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

阮昊表示，當(dāng)前固態(tài)硬盤發(fā)展接近極限，要做得更小，面臨很大挑戰(zhàn)。而半導(dǎo)體存儲(chǔ)成本很高、壽命較短、數(shù)據(jù)容易丟失。光存儲(chǔ)則能有效解決這些問(wèn)題，因而是未來(lái)大數(shù)據(jù)、人工智能發(fā)展的一塊基石。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

據(jù)介紹，目前相關(guān)研究已申請(qǐng)專利，下一步的目標(biāo)是走向產(chǎn)業(yè)界。不過(guò)，盡管研究團(tuán)隊(duì)已大幅增加存儲(chǔ)的面積密度，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多個(gè)方面仍有待進(jìn)一步提升，在大規(guī)模生產(chǎn)方面也需要繼續(xù)摸索。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

阮昊表示，未來(lái)產(chǎn)業(yè)化還涉及技術(shù)路線圖的布局。“我國(guó)在2000年左右就制定了半導(dǎo)體存儲(chǔ)、集成電路發(fā)展的技術(shù)路線圖。推動(dòng)光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，也要在突破原理后制定相關(guān)的路線圖，才能吸引企業(yè)投資?！?span style="display:none">9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com

“如果經(jīng)費(fèi)有保障，通過(guò)和國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作，估計(jì)10年左右就可以形成產(chǎn)業(yè)，占據(jù)主流市場(chǎng)，帶來(lái)投資回報(bào)。”顧敏補(bǔ)充說(shuō)。9w9即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com