中科院上海光机所/上海理工/张江实验室，联合发Nature！

人们需要大容量存储技术，来满足日益增长的数据需求。

然而，基于半导体闪存设备和硬盘驱动器等主要存储技术的数据中心存在能耗负担高、运行成本高、寿命短等问题。光数据存储(ODS)是一种有效的长期档案数据存储解决方案。

尽管如此，ODS因其低容量和增加其面积密度的挑战而受到限制。

在此，来自的上海理工大学的文静、中国科学院上海光学精密机械研究所的阮昊以及上海理工大学&张江实验室的顾敏院士等研究者为了解决以上问题，通过将平面记录架构扩展到数百层的三维空间，同时打破记录点的光学衍射极限屏障，将ODS的容量提高到PB级。相关论文以题为“A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity”于2024年02月21日发表在Nature上。

数据存储，在当今数字时代至关重要，但主流存储设备如硬盘驱动器(HDDs)和半导体闪存设备在成本效益、耐用性和可持续性方面存在局限性。光数据存储(ODS)系统是一种低成本、环保和高耐久性的选择，为解决这些问题提供了一个有希望的解决方案。

然而，目前的ODS容量需要增加，以完全满足数据中心的需求，但增加光学介质的面积密度仍然是一个挑战。

为了提高ODS设备的存储容量，研究人员采用了两种主要的方法，即多维和三维多层光存储方法。不幸的是，由于传统的光学衍射极限，这两种方法在两个相邻记录特征的间距方面都有基本的限制。利用目前两种主要的全光存储机制实现超分辨率ODS是一项具有挑战性的工作。基于光强和偏振态编码的多维光存储利用了金属纳米棒的等离子体特性和熔融石英中纳米光栅的双折射特性，缺乏像STED显微镜原理那样的on-off开关特性。

此外，在光致变色材料、光折变聚合物或晶体上的三维多层光存储采用双光子书写，不存在路径被抑制的问题。最近，一些具有开关特性的其他方法的出现已经实现了亚衍射位间距。例如，开发了一种可逆可切换增强绿色荧光蛋白(rsEGFP)，以约200 nm(约λ/3，其中书写光束的波长为λ = 532 nm)的亚衍射位距记录和探测特征。镧系掺杂上转换纳米颗粒与氧化石墨烯结合被用于光学书写，其位距约为195 nm(约λ/5，其中书写光束的波长为λ = 980 nm)。

然而，rsEGFP的生命周期较短，不适合处理长期的ODS。上转换纳米颗粒缺乏在光敏材料上扩散的纳米颗粒的掺杂均匀性，因此不适合体积型ODS。因此，实现纳米级位元，特别是体积ODS，打破衍射极限障碍，仍然具有挑战性。

在此，研究者开发了一种新型ODS介质——具有聚集诱导发射(AIE)发光原(AIE-DDPR)的染料掺杂光刻胶(DDPR)。首先，为了记录数据，在具有三重三重吸收机制的DDPR薄膜上完成了纳米级光学刻写，通过甜甜圈光束有效地阻止了聚合。其次，在数据检索方面，研究者采用光激发AIE (OS-AIE)机制来增强飞秒激光聚焦区域的荧光发射。与STED原理类似，这种OS-AIE现象具有开关特性，可以通过灭能束抑制，以区分纳米级记录点。

AIE-DDPR记录薄膜在面积密度方面优于其他光学系统和HDDs。研究者的技术达到的面积密度约是基于金纳米棒的多层五维光盘的125倍，是基于rsEGFP的超分辨率全光存储的1600倍，是目前最先进的HDDs的24倍。

图1. 空白AIE-DDPR光盘纳米级光学读写原理及生产流程

图2. 100层纳米级体积ODS及数字模式编解码演示

图3. 纳米级体积ODS原理示意图及AIE-DDPR膜的表征概要

图4. 孤立和紧密排列的记录特征的成像

综上所述，研究者采用AIE-DDPR薄膜作为存储介质，研制了纳米级体积ODS系统。这些包括每个层的最小光斑尺寸和横向轨道间距分别为54 nm(约λ/12)和70 nm(约λ/9)，此外，层间轴向间距为1μ m(约1.6λ)。此外，可以在两侧记录多达100层的能力将ODS的容量提高到1.6 PB，相当于一个DVD-大小的磁盘。

这些显著的优势表明，与最先进的光盘库和硬盘数据阵列相比，以工业为导向的下一代纳米级ODS的开发成本要低得多，将满足大数据时代的海量数据存储需求。

然而，尽管研究者已经大幅提高了存储的面积密度，但仍然需要进一步提高写入速度和能源效率。这可以通过使用比当前系统中使用的具有更高重复率和更灵敏的光刻胶的飞秒激光束来实现。

同时，研究者成功地证明了飞秒激光激发的OS-AIE现象，这对AIE领域具有重要意义。研究者采用的光刺激技术是一种时空控制AIE的创新方法，为该领域的研究和发展开辟了新途径，特别是在探索OS-AIE在提高用于高分辨率显示器的有机发光二极管和用于高质量生物成像的荧光纳米颗粒的发射效率方面的潜在应用。

此外，研究者制作的可时空控制的纳米级发光光源，将有助于发现光子芯片光源的材料和方法。