中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞、夏慷蔚等人在光學(xué)信息存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出并發(fā)展基于金剛石發(fā)光點(diǎn)缺陷的四維信息存儲(chǔ)技術(shù)，具備面向?qū)嶋H應(yīng)用所需高密度、超長(zhǎng)免維護(hù)壽命、快速讀寫(xiě)等關(guān)鍵特性，有望為“數(shù)據(jù)大爆炸”信息時(shí)代所亟需的新一代綠色高容量信息存儲(chǔ)提供解決方案。這項(xiàng)研究成果以“Terabit-scale high-fidelity diamond data storage”為題，于11月27日在線發(fā)表在Nature Photonics上。

信息時(shí)代已進(jìn)入“大數(shù)據(jù)”階段，海量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析技術(shù)不斷進(jìn)步，正成為推動(dòng)科技發(fā)展的關(guān)鍵力量。對(duì)海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用將在民生、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)且重大的影響。然而，當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)（如磁盤(pán)、光盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)等）的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，存儲(chǔ)容量的瓶頸和高能耗問(wèn)題已成為制約海量數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

通過(guò)精確制備納米材料光源并調(diào)控光信號(hào)的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振等多維度特性，光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)近年來(lái)成為實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)的重要發(fā)展路徑之一。然而，納米材料的穩(wěn)定性差、信息讀寫(xiě)速度較慢、誤差大以及高能耗等問(wèn)題，使得光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)在向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的過(guò)程中面臨巨大挑戰(zhàn)。

本文研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用金剛石中一種可精確人工制備的發(fā)光點(diǎn)缺陷，成功解決了上述系列挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，金剛石中的原子尺度弗蘭克爾缺陷具備穩(wěn)定的發(fā)光特性，并能精確制備可控調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度來(lái)編碼數(shù)據(jù)，成為理想的信息存儲(chǔ)單元。得益于金剛石材料的超高硬度（為自然界最堅(jiān)硬材料之一）以及其卓越的化學(xué)穩(wěn)定性（如抗酸堿腐蝕等），存儲(chǔ)在金剛石光盤(pán)中的數(shù)據(jù)極為穩(wěn)定。通過(guò)高溫測(cè)試并結(jié)合阿倫尼烏斯定律預(yù)測(cè)信息單元的穩(wěn)定性，即使在200℃高溫環(huán)境下，金剛石中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)壽命可以遠(yuǎn)超百年。同時(shí)，該存儲(chǔ)無(wú)需任何維護(hù)（如溫濕度控制等），不產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的能耗。

為了實(shí)現(xiàn)高密度高可靠性存儲(chǔ)，研究人員發(fā)展了基于飛秒脈沖加工的快速高精度三維缺陷制備技術(shù)，單個(gè)飛秒脈沖（約200飛秒）即可完成對(duì)存儲(chǔ)單元的制備，信息寫(xiě)入精度高于99.9%，已達(dá)到藍(lán)光光盤(pán)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。研究人員還進(jìn)一步發(fā)展了二維、三維的并行讀出技術(shù)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)上萬(wàn)比特高效讀出。當(dāng)前，存儲(chǔ)單元的尺寸可達(dá)到69nm（約為波長(zhǎng)的十二分之一），單元間隔在1微米左右，存儲(chǔ)密度達(dá)到Terabit/cm3量級(jí)，比藍(lán)光光盤(pán)存儲(chǔ)密度提高三個(gè)量級(jí)。

圖1.（a）金剛石信息存儲(chǔ)概念圖;（b）多次讀出后熒光信號(hào)的穩(wěn)定性表征;（c）高密度堆疊下信息存儲(chǔ)單元掃描成像結(jié)果;（d）通過(guò)熒光強(qiáng)度復(fù)用實(shí)現(xiàn)的色彩圖案存儲(chǔ);（e）實(shí)驗(yàn)使用的單個(gè)飛秒脈沖表征;（f）通過(guò)超分辨顯微鏡觀察單個(gè)熒光存儲(chǔ)單元尺寸，存儲(chǔ)單元熒光信號(hào)為負(fù)信號(hào)；（g）四維信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)展示。

圖2.金剛石光盤(pán)的寫(xiě)-讀效果展示。將世界上第一個(gè)計(jì)時(shí)攝影作品《飛馳中的馬》（由埃德沃德·邁布里奇于1878年拍攝）的不同幀數(shù)，通過(guò)三維堆疊存儲(chǔ)在金剛石中，并通過(guò)讀取形成的動(dòng)畫(huà)效果。每一幀的動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)占用金剛石存儲(chǔ)的橫向尺寸為90×70平方微米。

該研究團(tuán)隊(duì)一直致力于固態(tài)發(fā)光點(diǎn)缺陷的可控制備與高性能器件的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一系列金剛石器件，包括面向磁學(xué)材料檢測(cè)的納米級(jí)磁成像量子器件[Rev. Sci. Instrum. 92, 055001 (2021)、Sci. Adv. 8, eabn9573 (2022)]、面向半導(dǎo)體科學(xué)的點(diǎn)缺陷成像量子器件[Nat. Photonics.18, 230–235 (2024)]、面向高壓科學(xué)的極端壓力條件下的原位磁測(cè)量量子器件[Nat.Commun. 15, 8843 (2024)]。本項(xiàng)研究進(jìn)一步拓展了固態(tài)發(fā)光點(diǎn)缺陷在新型信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用。除了本項(xiàng)工作 ，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了基于稀土離子發(fā)光點(diǎn)缺陷的可擦寫(xiě)信息存儲(chǔ)器件 [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，通過(guò)發(fā)展新技術(shù)充分挖掘固態(tài)點(diǎn)缺陷的應(yīng)用潛力，為新一代綠色高密度信息存儲(chǔ)提供新的解決方案。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生周晶陽(yáng)與特任副研究員蘇佳為本工作共同第一作者，杜江峰院士、王亞教授、夏慷蔚教授為共同通訊作者。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部、安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01573-1