188bet足球中(zhong)國科學(xue)院微觀磁共振重點(dian)實驗室杜(du)江峰(feng)、王亞、夏(xia)慷蔚等人在(zai)光學(xue)信(xin)(xin)息(xi)(xi)(xi)存儲(chu)領域取(qu)得重要進(jin)展(zhan)(zhan)，提出并發展(zhan)(zhan)基于金剛(gang)石發光點(dian)缺(que)陷(xian)的(de)四(si)維信(xin)(xin)息(xi)(xi)(xi)存儲(chu)技術，具備(bei)面向(xiang)實際應用(yong)所(suo)需高密度、超長免維護壽(shou)命、快速讀寫等關鍵特性，有望為“數據大爆炸”信(xin)(xin)息(xi)(xi)(xi)時代所(suo)亟需的(de)新一(yi)代綠色高容量信(xin)(xin)息(xi)(xi)(xi)存儲(chu)提供解決方案。這項研究(jiu)成果以“Terabit-scale high-fidelity diamond data storage”為題(ti)，于11月27日在(zai)線(xian)發表在(zai)Nature Photonics上。
信(xin)息時代已(yi)進入“大(da)數(shu)據(ju)(ju)”階段(duan)，海(hai)(hai)量(liang)(liang)數(shu)據(ju)(ju)的(de)采集、存儲和(he)分析(xi)技(ji)術不(bu)斷進步，正成(cheng)為推動(dong)科技(ji)發(fa)展(zhan)的(de)關鍵力量(liang)(liang)。對海(hai)(hai)量(liang)(liang)數(shu)據(ju)(ju)的(de)應(ying)用(yong)將在民生、醫療等多個領域產生深遠(yuan)(yuan)且重(zhong)大(da)的(de)影響。然(ran)而，當(dang)前數(shu)據(ju)(ju)存儲技(ji)術（如(ru)磁盤(pan)、光(guang)盤(pan)、固(gu)態硬盤(pan)等）的(de)發(fa)展(zhan)遠(yuan)(yuan)遠(yuan)(yuan)滯后于數(shu)據(ju)(ju)量(liang)(liang)的(de)增長，存儲容量(liang)(liang)的(de)瓶頸和(he)高(gao)能耗問題已(yi)成(cheng)為制約(yue)海(hai)(hai)量(liang)(liang)數(shu)據(ju)(ju)處理(li)與(yu)應(ying)用(yong)的(de)關鍵挑戰之一(yi)。
通過精確制備納米(mi)材料光源并調(diao)控光信(xin)號的強度、波長、偏振等多維度特性(xing)，光學存儲技術近年(nian)來成為實現高密度存儲的重要發展路徑之(zhi)一。然而(er)，納米(mi)材料的穩定性(xing)差、信(xin)息讀寫速度較慢、誤差大以(yi)及(ji)高能耗等問題，使得光學存儲技術在向實際應(ying)用轉(zhuan)化的過程中面臨巨(ju)大挑戰。
本文研(yan)究(jiu)團隊(dui)創新(xin)性(xing)(xing)地利用(yong)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石中(zhong)一(yi)種可精確(que)(que)人工制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)發光(guang)點(dian)缺陷(xian)，成功解決了上述系列挑戰。研(yan)究(jiu)發現，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石中(zhong)的(de)原子尺度(du)弗(fu)蘭克爾缺陷(xian)具(ju)備(bei)穩(wen)定的(de)發光(guang)特性(xing)(xing)，并能精確(que)(que)制(zhi)(zhi)備(bei)可控(kong)調節(jie)其發光(guang)亮度(du)來編碼數據，成為理想的(de)信息(xi)存儲單元(yuan)。得益于金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石材料的(de)超高硬度(du)（為自然界最堅硬材料之一(yi)）以(yi)(yi)及其卓越的(de)化學穩(wen)定性(xing)(xing)（如抗(kang)酸堿腐(fu)蝕等(deng)），存儲在(zai)(zai)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石光(guang)盤中(zhong)的(de)數據極為穩(wen)定。通(tong)過高溫(wen)測試并結(jie)合阿倫尼烏斯定律預測信息(xi)單元(yuan)的(de)穩(wen)定性(xing)(xing)，即使在(zai)(zai)200℃高溫(wen)環境下，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石中(zhong)數據的(de)存儲壽命可以(yi)(yi)遠(yuan)超百年。同時，該(gai)存儲無需任何維護(hu)（如溫(wen)濕(shi)度(du)控(kong)制(zhi)(zhi)等(deng)），不產生數據存儲的(de)能耗。
為了實現高密度高可靠性存儲，研究人員發展了基于飛秒脈沖加工的快速高精度三維缺陷制備技術，單個飛秒脈沖（約200飛秒）即可完成對存儲單元的制備，信息寫入精度高于99.9%，已達到藍光光盤國家標準。研究人員還進一步發展了二維、三維的并行讀出技術，可同時實現對上萬比特高效讀出。當前，存儲單元的尺寸可達到69nm（約為波長的十二分之一），單元間隔在1微米左右，存儲密度達到Terabit/cm3量級，比藍光光盤存儲密度提高三個量級。
圖(tu)(tu)1：（a）金剛石信(xin)(xin)息(xi)存(cun)儲(chu)概念圖(tu)(tu);（b）多(duo)次讀出后(hou)熒(ying)光信(xin)(xin)號的(de)穩定(ding)性表(biao)征;（c）高密(mi)度堆疊下(xia)信(xin)(xin)息(xi)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)(yuan)掃描成像(xiang)結果;（d）通(tong)過熒(ying)光強度復用(yong)實(shi)(shi)現的(de)色彩圖(tu)(tu)案(an)存(cun)儲(chu);（e）實(shi)(shi)驗使用(yong)的(de)單(dan)個(ge)飛(fei)秒脈沖表(biao)征;（f）通(tong)過超分辨顯(xian)微鏡(jing)觀察單(dan)個(ge)熒(ying)光存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)(yuan)尺(chi)寸(cun)，存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)(yuan)熒(ying)光信(xin)(xin)號為負信(xin)(xin)號；（g）四維信(xin)(xin)息(xi)存(cun)儲(chu)數據展示。
圖2：金(jin)剛石(shi)(shi)光(guang)盤的(de)(de)寫-讀(du)效果展(zhan)示。將世界上第一(yi)個計時攝(she)影作品《飛(fei)馳中(zhong)(zhong)的(de)(de)馬》（由(you)埃(ai)德沃德·邁布(bu)里(li)奇于1878年拍(pai)攝(she)）的(de)(de)不同幀數，通(tong)過三維堆疊存儲在(zai)金(jin)剛石(shi)(shi)中(zhong)(zhong)，并通(tong)過讀(du)取形成(cheng)的(de)(de)動畫效果。每一(yi)幀的(de)(de)動畫數據占(zhan)用金(jin)剛石(shi)(shi)存儲的(de)(de)橫向尺寸為90×70平方微米。
該(gai)研(yan)究團隊一(yi)直致(zhi)力(li)于(yu)(yu)固態發光點(dian)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)可控制備(bei)與高性(xing)能器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)開發。近(jin)年來，團隊成(cheng)功研(yan)發了一(yi)系列金(jin)剛石器(qi)(qi)件(jian)(jian)，包(bao)括(kuo)面向磁學材(cai)料檢測(ce)的(de)(de)(de)納(na)米級磁成(cheng)像量子器(qi)(qi)件(jian)(jian)[Rev. Sci. Instrum. 92, 055001 (2021)、Sci. Adv. 8, eabn9573 (2022)]、面向半(ban)導體(ti)科學的(de)(de)(de)點(dian)缺(que)陷(xian)成(cheng)像量子器(qi)(qi)件(jian)(jian)[Nat. Photonics.18, 230–235 (2024)]、面向高壓(ya)科學的(de)(de)(de)極(ji)端壓(ya)力(li)條件(jian)(jian)下(xia)的(de)(de)(de)原位磁測(ce)量量子器(qi)(qi)件(jian)(jian)[Nat.Commun. 15, 8843 (2024)]。本項研(yan)究進一(yi)步拓展了固態發光點(dian)缺(que)陷(xian)在新型信(xin)息(xi)存(cun)(cun)儲領(ling)域(yu)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)。除了本項工作(zuo) ，研(yan)究團隊還(huan)開發了基(ji)于(yu)(yu)稀土(tu)離子發光點(dian)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)可擦寫信(xin)息(xi)存(cun)(cun)儲器(qi)(qi)件(jian)(jian) [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，通(tong)過發展新技術充分挖掘(jue)固態點(dian)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)潛力(li)，為新一(yi)代(dai)綠色高密度信(xin)息(xi)存(cun)(cun)儲提(ti)供新的(de)(de)(de)解(jie)決方案。
中國(guo)科學院微觀磁共(gong)(gong)振重點實驗室(shi)博士研究生周晶陽(yang)與特任副(fu)研究員蘇佳為本工作(zuo)共(gong)(gong)同第一作(zuo)者(zhe)，杜江峰院士、王亞教(jiao)授、夏慷蔚教(jiao)授為共(gong)(gong)同通訊作(zuo)者(zhe)。此項(xiang)研究得到了國(guo)家(jia)自然科學基金委、中國(guo)科學院、科技部、安徽省(sheng)的資(zi)助。
論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41566-024-01573-1
（中國(guo)科(ke)(ke)學院(yuan)(yuan)微(wei)觀(guan)磁共振重點實驗室、物理(li)學院(yuan)(yuan)、中國(guo)科(ke)(ke)學院(yuan)(yuan)量子信息和量子科(ke)(ke)技創新研究院(yuan)(yuan)、科(ke)(ke)研部）
