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)實驗室杜江峰、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，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)，可同時實現(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量級。

       該研究團(tuán)隊一直致力于固態(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。除了本項工作 ，研究團(tuán)隊還開發(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。

       中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實驗室博士研究生周晶陽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。此項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部、安徽省的資助。

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