近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光学机械研究所”）与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量超分辨率三维光存储研究方面取得突破。利用世界上第一个双光束控制聚集诱导发光超分辨率光存储技术的研究团队。在实验中，信息的写入和读取首次突破了衍射极限的限制，实现了54nm的点尺寸、道路间距为70nm的超分辨率数据存储，完成100层的多层记录，单盘等效容量达到PB级，对突破信息存储领域的关键核心技术，实现数字经济的可持续发展具有重要意义。2024年2月22日发表的《自然》相关研究成果（Nature）杂志。论文的第一作者是上海光学机械研究所，通信作者是上海光学机械研究所阮浩研究员、上海理工大学光子芯片研究所所长顾敏院士、上海理工大学文静教授。赵苗，上海光机研究所博士后，上海理工大学文静教授，并列第一作者。 光存储技术具有绿色节能、安全可靠、使用寿命50~100年的独特优点，非常适合长期低成本存储大量数据。但由于衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅为100GB级。在信息量不断增长的大数据时代，光存储领域的不懈追求长期以来一直是突破衍射极限，缩小信息点尺寸，提高单盘存储容量。 1994年，德国科学家Stefan W. Hell教授提出了激光辐射损失显微技术，这首次证明光学衍射极限可以被打破，并于2014年获得诺贝尔化学奖。经过20多年的发展，在显微成像、激光纳米直写等领域实现了光学超分辨率，解决了信息的超分辨率写入问题。然而，传统染料在聚集状态下容易荧光猝灭，导致信息丢失。在纳米尺度下，仍存在被背景噪声消除的问题，使得超分辨率信息难以读取。超分辨率技术在光存储领域的应用通常受到电镜扫描读取方法的限制。因此，超分辨写、超分辨读、三维存储和长寿命介质的发展是光存储研究领域十多年来亟待解决的问题。 图1  PB级光盘制备及读写方法示意图(图源:Nature） 20世纪80年代，上海光机研究所干福溪院士对中国数字光盘存储技术进行了研究，研究团队对光盘存储领域进行了深入的研究。基于丰富的研究基础和创新的技术解决方案，基于双光束超分辨技术和聚集诱导发光存储介质，信息的写入和读取突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、超分辨率数据存储间距为70nm，多层记录为100层，单盘等效容量约为1.6 Pb。经过老化加速试验，光盘介质的使用寿命超过40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5：1。这是世界上第一次实现PB超大容量光存储，受到评论员的高度评价：“这是一种突破性创新的PB光存储技术……”与其他现有技术相比，该技术提供了最高的光存储密度……”研究结果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能存储技术的问题……”。 图2 超分辨信息记录结果(图源:Nature） 图3 100层记录和二进制编码恢复结果(图源:Nature） 从光学显微技术到光存储技术，光学衍射极限限制。在Science2021年发布的世界前沿125个科学问题中，突破衍射极限在物理领域排名第一。超分辨率CD的成功发展突破了信息写入和读取中的物理问题，帮助中国突破了存储领域的关键核心技术，在大数据数字经济中发挥了重要作用，以满足信息产业的重大需求。 图4 光盘实物照片(图源:Nature） 未来，研究团队将加快原始创新和关键技术研究，促进超大容量光存储的集成和工业化，扩大其在光显微成像、光显示和光信息处理领域的交叉应用，产生越来越优秀的创新成果。 图5 前排从左到右:论文通讯作者阮昊，共同第一作者赵苗 后排从左到右:研究人员胡巧、尹教成