蛋白质设施用户在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展

近日，中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究（上海）设施用户中国科学院上海光学精密机械研究所与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展。

　　

蛋白质设施用户在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展

        近日，中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究（上海）设施用户中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展。研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。相关研究成果于2024年2月22日发表在《自然》杂志。

        光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50到100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据。受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量长久以来一直都是光存储领域的不懈追求。

        1994年德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖，经过20多年的发展，在显微成像、激光纳米直写等多个领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。然而传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。

 

图1  Pb级光盘制备及读写方式示意图

        二十世纪八十年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，研究团队一直深耕光存储领域。依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光存储介质，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6 Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5:1。这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储，得到了审稿人的高度评价：“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术”,“与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度”,“研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题”。

 

图2 超分辨信息记录结果

图3 100层记录和二进制编码译码复原结果

        从光学显微技术到光存储技术，都被光学衍射极限所限制。在2021年Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制更是在物理领域高居首位。该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破关键核心技术，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。

图4 光盘实物照片

        未来，研究团队将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。

        用户使用蛋白质设施复合激光显微镜系统超高分辨显微镜Leica TCS SP8 STED 3X系统获取超分辨记录点超分辨读出的数据，为研究信息超分辨记录点的荧光对比度和信息读出次数做分析，证明了该课题所研究的基于聚焦诱导发光的超分辨三维存储介质可以实现超分辨的信息读出。