中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞、夏慷蔚等人在光學信息存儲領域取得重要進展，提出并發展基于金剛石發光點缺(que)陷的四維(wei)信(xin)息存(cun)儲技術，具備面向實際應用所(suo)需高密度、超長免(mian)維(wei)護壽命、快速(su)讀寫等關(guan)鍵(jian)特性，有望為“數據大爆炸”信(xin)息時代(dai)所(suo)亟(ji)需的新一代(dai)綠色高容(rong)量信(xin)息存(cun)儲提供解(jie)決(jue)方案。這項研究成果以(yi)“Terabit-scale high-fidelity diamond data storage”為題(ti)，于11月(yue)27日在(zai)線發表在(zai)Nature Photonics上。

       信息時代已(yi)進入(ru)“大(da)數(shu)據(ju)”階段，海量(liang)數(shu)據(ju)的(de)(de)(de)采(cai)集(ji)、存(cun)儲和分析(xi)技(ji)術不斷進步，正成為推動科(ke)技(ji)發展的(de)(de)(de)關鍵力量(liang)。對海量(liang)數(shu)據(ju)的(de)(de)(de)應用將在民(min)生、醫(yi)療等多個領域(yu)產生深遠(yuan)且重大(da)的(de)(de)(de)影響。然(ran)而，當前數(shu)據(ju)存(cun)儲技(ji)術（如(ru)磁盤(pan)、光(guang)盤(pan)、固態硬(ying)盤(pan)等）的(de)(de)(de)發展遠(yuan)遠(yuan)滯后于數(shu)據(ju)量(liang)的(de)(de)(de)增長，存(cun)儲容(rong)量(liang)的(de)(de)(de)瓶頸和高(gao)能耗問題已(yi)成為制約海量(liang)數(shu)據(ju)處理與應用的(de)(de)(de)關鍵挑戰之一(yi)。

       通過精確(que)制備納(na)米(mi)材料(liao)光(guang)源并調控(kong)光(guang)信號的(de)強度(du)、波長、偏振等多維度(du)特性(xing)，光(guang)學存(cun)(cun)儲(chu)(chu)技術近年(nian)來成(cheng)為實(shi)現高(gao)密度(du)存(cun)(cun)儲(chu)(chu)的(de)重(zhong)要發展(zhan)路徑之一。然(ran)而，納(na)米(mi)材料(liao)的(de)穩定性(xing)差(cha)、信息讀寫速度(du)較慢、誤差(cha)大以及高(gao)能耗(hao)等問題，使得光(guang)學存(cun)(cun)儲(chu)(chu)技術在向(xiang)實(shi)際(ji)應用(yong)轉化的(de)過程中(zhong)面臨巨(ju)大挑戰。

       本(ben)文(wen)研究團隊創新性(xing)地利用金(jin)剛石中一種可(ke)精(jing)確人工(gong)制備(bei)的(de)發光(guang)點缺(que)陷(xian)，成(cheng)功(gong)解決(jue)了上(shang)述系列(lie)挑戰。研究發現，金(jin)剛石中的(de)原子尺度弗蘭克爾缺(que)陷(xian)具備(bei)穩(wen)定(ding)的(de)發光(guang)特性(xing)，并(bing)(bing)能精(jing)確制備(bei)可(ke)控調節(jie)其(qi)發光(guang)亮度來編碼(ma)數(shu)據(ju)，成(cheng)為理想的(de)信(xin)息(xi)存儲(chu)單(dan)元。得益于(yu)金(jin)剛石材料的(de)超高(gao)硬度（為自然界最(zui)堅硬材料之(zhi)一）以(yi)及(ji)其(qi)卓越(yue)的(de)化學穩(wen)定(ding)性(xing)（如抗(kang)酸堿腐(fu)蝕等），存儲(chu)在金(jin)剛石光(guang)盤中的(de)數(shu)據(ju)極為穩(wen)定(ding)。通(tong)過高(gao)溫測試(shi)并(bing)(bing)結合阿(a)倫尼烏斯定(ding)律預(yu)測信(xin)息(xi)單(dan)元的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)，即使(shi)在200℃高(gao)溫環境下，金(jin)剛石中數(shu)據(ju)的(de)存儲(chu)壽命可(ke)以(yi)遠超百年。同(tong)時，該存儲(chu)無需任何維(wei)護(hu)（如溫濕度控制等），不產生數(shu)據(ju)存儲(chu)的(de)能耗。

       為了實現高密度(du)高可(ke)靠性存(cun)儲(chu)，研(yan)究(jiu)人員(yuan)發展(zhan)了基于(yu)(yu)飛(fei)秒脈沖(chong)加工的快速(su)高精度(du)三維缺陷制(zhi)備(bei)技(ji)(ji)術(shu)，單個(ge)飛(fei)秒脈沖(chong)（約200飛(fei)秒）即可(ke)完成對(dui)存(cun)儲(chu)單元的制(zhi)備(bei)，信息寫入(ru)精度(du)高于(yu)(yu)99.9%，已達到(dao)藍光光盤(pan)國家標(biao)準。研(yan)究(jiu)人員(yuan)還進一步(bu)發展(zhan)了二(er)(er)維、三維的并行讀出(chu)技(ji)(ji)術(shu)，可(ke)同時實現對(dui)上萬比特(te)高效讀出(chu)。當前(qian)，存(cun)儲(chu)單元的尺寸可(ke)達到(dao)69nm（約為波長的十二(er)(er)分之一），單元間隔在1微米左右，存(cun)儲(chu)密度(du)達到(dao)Terabit/cm3量(liang)級(ji)，比藍光光盤(pan)存(cun)儲(chu)密度(du)提高三個(ge)量(liang)級(ji)。

       該研(yan)(yan)(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)一直(zhi)致力于固態發(fa)(fa)光點缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)可控制備與高(gao)性能器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)開發(fa)(fa)。近年來，團(tuan)隊(dui)成(cheng)(cheng)功(gong)研(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)了一系列金剛石(shi)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)，包括(kuo)面向(xiang)磁(ci)學(xue)材料檢測的(de)(de)納米(mi)級磁(ci)成(cheng)(cheng)像量(liang)子器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)[Rev. Sci. Instrum. 92, 055001 (2021)、Sci. Adv. 8, eabn9573 (2022)]、面向(xiang)半(ban)導(dao)體科(ke)學(xue)的(de)(de)點缺(que)(que)陷(xian)成(cheng)(cheng)像量(liang)子器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)[Nat. Photonics.18, 230–235 (2024)]、面向(xiang)高(gao)壓(ya)科(ke)學(xue)的(de)(de)極端(duan)壓(ya)力條件(jian)(jian)(jian)(jian)下的(de)(de)原位磁(ci)測量(liang)量(liang)子器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)[Nat.Commun. 15, 8843 (2024)]。本(ben)(ben)項研(yan)(yan)(yan)究(jiu)進一步拓展了固態發(fa)(fa)光點缺(que)(que)陷(xian)在新型信(xin)息存儲(chu)領域(yu)的(de)(de)應(ying)用(yong)。除了本(ben)(ben)項工作 ，研(yan)(yan)(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)還開發(fa)(fa)了基(ji)于稀土離(li)子發(fa)(fa)光點缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)可擦寫(xie)信(xin)息存儲(chu)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian) [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，通過發(fa)(fa)展新技術充分挖(wa)掘固態點缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)應(ying)用(yong)潛力，為新一代(dai)綠(lv)色(se)高(gao)密度信(xin)息存儲(chu)提供新的(de)(de)解決(jue)方案。

       ;中國科(ke)學院(yuan)(yuan)微(wei)觀磁共振重(zhong)點實驗室博士研究(jiu)生周晶陽與(yu)特任副研究(jiu)員蘇佳為本工(gong)作(zuo)(zuo)共同第(di)一(yi)作(zuo)(zuo)者(zhe)，杜(du)江峰院(yuan)(yuan)士、王亞教授、夏慷蔚教授為共同通訊(xun)作(zuo)(zuo)者(zhe)。此項(xiang)研究(jiu)得到了國家自然科(ke)學基金(jin)委、中國科(ke)學院(yuan)(yuan)、科(ke)技(ji)部、安徽省的資助。

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