拼上“珠峰”！他們如何做出劃時代“超級光盤”

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中國工程院外籍院士、上海理工大學光子芯片研究院院長顧敏與中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）研究員阮昊、上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授文靜等合作，在存儲領域突破光學衍射極限限制，研發出超大容量納米級三維光盤存儲器，實現顛覆性的劃時代光儲存。相關研究發表于2月22日發表于《自然》。

“超級光盤”比當前最先進的光盤庫和硬盤驅動器數據陣列成本更低、能耗更少，將助推大數據時代數據存儲的升級換代。“可以說，我們團隊拼上了這一領域的‘珠穆朗瑪峰’。”論文通訊作者之一、上海理工大學光子芯片研究院院長顧敏院士說。

上海光機所 供圖

“百里挑一”選材料

讓巴掌大的DVD光盤內裝下1.6 Pb的存儲量，相當于一個小型數據中心的數據量。研究團隊是如何做到的？

據介紹，這項研究有兩個關鍵創新：找到適宜的聚集誘導發光材料；用飛秒激光調控它的性能。將兩者結合在一起，可以突破光的衍射極限，實現穩定地“寫入”和“讀出”。

說易行難，實現這項“從0到1”的突破絕非一日之功。突破衍射極限是物理學的一大難題，衍射效應會限制顯微成像的分辨能力，讓人們難以窺見物質的細節。而實現超大容量光儲存，除了需要能“見微”，還需要能在適宜的材料上長時間穩定讀寫。能否突破光學和材料學的學科壁壘，成為近十余年來光存儲領域的棘手問題。

1994年，德國化學家Stefan Hell提出受激輻射損耗顯微技術，證明了光學衍射極限能夠被打破，使得通過超分辨“見微”的問題得到解決，也使其獲得2014年諾貝爾化學獎。但Hell在超大容量光存儲方面的研究卻因材料限制而被中斷，2011年，他通過生物蛋白材料嘗試Pb級光儲存讀寫，因其只能存儲48小時，且分辨參數較大（200納米），而難以作為存儲材料。

2013年，顧敏帶領團隊首次利用雙光束超分辨原理突破激光直接技術的光學衍射極限，獲得9納米特征尺寸的世界紀錄。但受限于材料，對于寫入的存儲仍難以實現穩定讀出。

如何在讀寫兩個通道上突破衍射極限，攻克材料障礙，實現超大容量光儲存？

問題縈繞在顧敏心頭，他帶領合作團隊一起攻關，希望讓核心技術及知識產權從澳大利亞轉而落地在祖國的大地上。

彼時，在中國科學院院士干福熹的帶領下，上海光機所作為我國最早開展數字光盤存儲技術的科研機構也在進行相關布局。

在全球數據儲存市場，主流光盤和固態硬盤領域一直被日美公司壟斷。如果我國在大容量光儲存領域獲得突破，將有機會在數據存儲方面實現“彎道超車”。

論文通訊作者之一、上海光機所研究員阮昊介紹，傳統發光染料材料在聚集狀態下極易發生熒光猝滅，造成信息的丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲湮沒的難題，導致超分辨的信息難以讀出，通常依賴電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術在光存儲領域中的應用。

為了找到理想的材料，研究團隊甚至想用高通量的方法，即一次做數百種材料，逐個驗證哪種最合適。“當時把所有材料列出來之后，大家很頭疼，因為既涉及到光，又涉及到材料，合作團隊之間因為知識體系差異，難以高效交流。”阮昊回憶。

直到2021年初，研究團隊用了5年時間不斷摸索，排除了很多錯誤選項，才“百里挑一”選出理想材料。

“我們選用的聚集誘導發光AIE染料像有6片葉子的‘發光風車’，如果風車轉得越快，消耗的動能多，它對外發的光就越少。要讓風車發光更強，就要讓它轉慢一些。我們把風車放在有機樹脂薄膜里，用兩束飛秒激光去照射，就能像天上的星星一樣，讓它們對外發出更強的光。”論文共同第一兼通訊作者、上海理工大學教授文靜比喻說，這使其可以超越衍射極限，分辨出兩個相鄰點的距離，實現精確讀寫。

“極致”背后

單盤等效容量1.6 Pb，層數多達100層，厚度僅1.2毫米……追求極致始終貫穿合作團隊的整個研究過程，他們盡可能把每個參數做到最大極限。

創新之路伴隨著孤獨和壓力。“接觸這個課題的時候，很多人都覺得不太可能做出來。在各個科研團隊之間毫無保留的合作與共享下，大家不斷嘗試，最終克服難題。”論文第一作者、上海光機所博士后趙苗在接受《中國科學報》采訪時說。

從碩士、博士到博士后，趙苗的大部分精力都放在了超大容量光存儲器上。他記得，2017年他到上海光機所復試，當時百度云盤很火，他對儲存技術很感興趣，就被招進研究光存儲的阮昊課題組。當時，他心里有一些小確幸：“合作的老師們給予了大量支持，可以說，別人只有 1 位師父，我有 6 位，可以 24 小時保持聯系。”

“這就像練最頂尖的武功，別人只有一部秘籍，我有6部，這本身就是一件很有意思的事情。”他回憶說。

但研究得越深，他越感覺到目標之難。研究進行到第四年，趙苗眼見身邊的同學一個個發出論文，而自己的研究遲遲不能突破，壓力越來越大，心里也偶爾閃過放棄的念頭。

“有時覺得不行就拉倒算了，拿不到畢業證書也認了。后來，上海光機所55周年所慶時顧敏院士來所里宣講，他也給了我很多指導意見，分享了許多寶貴經驗，加快了整個研究的進度。”趙苗說。

作為團隊里的女科學家，文靜除了做研究，還要給學生上課、給孩子輔導功課，晚上經常工作到凌晨。有一段時間，為了補充實驗數據，她直接從家里“消失”了好幾個月，她跟家里人開玩笑：“論文一審我要盡全力回復，這是我的第二次‘高考’，娃就交給你們啦”。后來，論文到了二審階段，她又跟家里人交代娃的事情，家里人反倒開玩笑說：“現在是‘中考’了嗎？”。

盡管這項研究投稿過程“很順”，2023年4月投稿，送審后3周就接到三位審稿人積極回復，不過，仍有幾十個問題要進一步提供數據支持。文靜和趙苗再次像以往一樣開始“倒班制”，工作到深夜趕進度。趙苗凌晨做完實驗，早上文靜拿到數據就開始分析。

文靜表示，好的參數無法一蹴而就，而是反復優化，一點點地“磨出來的”。她記得有一次和趙苗把數據整理好后，很欣喜地向顧敏匯報記錄層已經做到30層。“我們自認為做得很好，會得到表揚，卻沒料到顧老師當即嚴肅地提出是否可以優化到100層，他的鞭策讓我們馬不停蹄地繼續趕實驗。”她說。

除了團隊內部的合作，超大容量光盤存儲器的成功也得到了外部科研機構的助力。國家蛋白質科學中心的顯微鏡設備對外開放，實驗預約很滿。為了趕時間，趙苗經常橫跨大半個上海，趁國家蛋白質科學中心晚上沒人時做實驗。他的堅持讓該中心的管理員看在眼里，特地在夜間“開綠燈”。

10年或形成產業

在當前數字經濟時代，硬盤驅動器、半導體閃光器件等主要存儲設備在能耗、壽命和成本方面都存在局限。以2022年為例，顧敏表示，我國數據中心總耗電量約2700億千瓦時，超過2座三峽水電站的年發電量。特別是每隔3到10年需要定期進行數據遷移，帶來數據被篡改或丟失的風險，且存儲壽命短。

阮昊也表示，當前固態硬盤發展也接近極限，要做得更小，有很大挑戰。而半導體存儲成本很高、壽命比較短、數據容易丟失。光存儲則能有效解決這些問題，因而是未來大數據人工智能的一個基石。

據介紹，目前相關研究已申請專利，下一步的目標是走向產業界。盡管目前研究團隊已大幅增加存儲的面積密度，但如果要走向產業化，在寫入和讀取速度以及能源效率等多個方面仍待進一步提升，在實現產業化的大規模生產方面也需要摸索。

阮昊表示，未來產業化還涉及技術路線圖的布局。“我國在2000年左右就制定了半導體存儲、集成電路發展的技術路線圖，要推動光存儲技術的發展，也要在突破原理后，制定相關的路線圖，才能吸引企業投資。”他說。

雖然當前距離超大容量光存儲產業化仍存在挑戰，但顧敏表示：“如果經費有保障，通過和相關國內企業合作，估計10年左右可以形成產業，占據主流市場，帶來投資回報。”