中國科大實(shí)現(xiàn)高密度高可靠性金剛石光學(xué)信息存儲

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(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技術(shù)，具備面向?qū)嶋H應(yīng)用所需高密度、超長免維護(hù)壽命、快速讀寫等關(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、存儲和分析技術(shù)不斷進(jìn)步，正成為推動科技發(fā)展的關(guān)鍵力量。對海量數(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)存儲技術(shù)（如磁盤、光盤、固態(tài)硬盤等）的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于數(shù)據(jù)量的增長，存儲容量的瓶頸和高能耗問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。

通過精確制備納米材料光源并調(diào)控光信號的強(qiáng)度、波長、偏振等多維度特性，光學(xué)存儲技術(shù)近年來成為實(shí)現(xiàn)高密度存儲的重要發(fā)展路徑之一。然而，納米材料的穩(wěn)定性差、信息讀寫速度較慢、誤差大以及高能耗等問題，使得光學(xué)存儲技術(shù)在向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的過程中面臨巨大挑戰(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)光亮度來編碼數(shù)據(jù)，成為理想的信息存儲單元。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），存儲在金剛石光盤中的數(shù)據(jù)極為穩(wěn)定。通過高溫測試并結(jié)合阿倫尼烏斯定律預(yù)測信息單元的穩(wěn)定性，即使在200℃高溫環(huán)境下，金剛石中數(shù)據(jù)的存儲壽命可以遠(yuǎn)超百年。同時(shí)，該存儲無需任何維護(hù)（如溫濕度控制等），不產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲的能耗。

為了實(shí)現(xiàn)高密度高可靠性存儲，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）即可完成對存儲單元的制備，信息寫入精度高于99.9%，已達(dá)到藍(lán)光光盤國家標(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)對上萬比特高效讀出。當(dāng)前，存儲單元的尺寸可達(dá)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(dá)到Terabit/cm3量級，比藍(lán)光光盤存儲密度提高三個(gè)量級。

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

圖2：金剛石光盤的寫-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)，通過三維堆疊存儲在金剛石中，并通過讀取形成的動畫效果。每一幀的動畫數(shù)據(jù)占用金剛石存儲的橫向尺寸為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發(fā)。近年來，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)材料檢測的納米級磁成像量子器件[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領(lǐng)域的應(yīng)用。除了本項(xiàng)工作 ，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了基于稀土離子發(fā)光點(diǎn)缺陷的可擦寫信息存儲器件 [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，通過發(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提供新的解決方案。