我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)高密度高可靠性金剛石光學(xué)信息存儲(chǔ)

在信息時(shí)代背景下，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求日益迫切，傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)面臨著容量瓶頸和高能耗的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)傳來振奮人心的消息，該校中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在光學(xué)信息存儲(chǔ)領(lǐng)域取得了重大突破，成功實(shí)現(xiàn)了高密度、高可靠性的金剛石光學(xué)信息存儲(chǔ)。

11 月 27 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布博文，宣布了這一重要進(jìn)展。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由杜江峰、王亞、夏慷蔚等人組成，他們提出并發(fā)展了基于金剛石發(fā)光點(diǎn)缺陷的四維信息存儲(chǔ)技術(shù)，該技術(shù)不僅具備高密度、超長(zhǎng)免維護(hù)壽命和快速讀寫等關(guān)鍵特性，還有望為當(dāng)前“數(shù)據(jù)大爆炸”時(shí)代提供新一代綠色高容量信息存儲(chǔ)的解決方案。這一研究成果以《Terabit-scale high-fidelity diamond data storage》為題，在線發(fā)表在*學(xué)術(shù)期刊《NaturePhotonics》上。

在信息時(shí)代，“大數(shù)據(jù)”已成為科技發(fā)展的關(guān)鍵詞。海量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析技術(shù)正不斷取得突破，并在民生、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出深遠(yuǎn)影響。然而，當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)（如磁盤、光盤、固態(tài)硬盤等）的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)速度，存儲(chǔ)容量的瓶頸和高能耗問題成為制約海量數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)因其高密度存儲(chǔ)的潛力，近年來備受關(guān)注。通過*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)有望實(shí)現(xiàn)高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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，成為制約光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。

此次中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用金剛石中一種可*人工制備的發(fā)光點(diǎn)缺陷，成功解決了上述難題。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，并能通過*調(diào)控其發(fā)光亮度來編碼數(shù)據(jù)，成為理想的信息存儲(chǔ)單元。

金剛石作為自然界*堅(jiān)硬的材料之一，不僅具備超高的硬度，還擁有*的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境。因此，存儲(chǔ)在金剛石光盤中的數(shù)據(jù)極為穩(wěn)定。通過高溫測(cè)試并結(jié)合阿倫尼烏斯定律預(yù)測(cè)，即使在 200℃高溫環(huán)境下，金剛石中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)壽命也可以遠(yuǎn)超百年。更重要的是，這種存儲(chǔ)方式無需任何維護(hù)（如溫濕度控制等），不產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的能耗，真正實(shí)現(xiàn)了綠色存儲(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)高密度高可靠性存儲(chǔ)，研究人員還發(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，信息寫入精度高于 99.9%，已達(dá)到藍(lán)光光盤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外，研究人員還發(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)上萬比特的高效讀出。

目前，存儲(chǔ)單元的尺寸已達(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)光光盤存儲(chǔ)密度提高了三個(gè)量級(jí)。這一突破性的進(jìn)展不僅為高密度信息存儲(chǔ)提供了新的解決方案，還為未來信息社會(huì)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

為了直觀展示金剛石光學(xué)信息存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，研究人員將世界上*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(chǔ)在金剛石中，并通過讀取形成了動(dòng)畫效果。每一幀的動(dòng)畫數(shù)據(jù)占用金剛石存儲(chǔ)的橫向尺寸為 90×70 平方微米，這一成果充分展示了金剛石光學(xué)信息存儲(chǔ)技術(shù)在高密度、高可靠性方面的*性能。

12月5-7日，由DT新材料聯(lián)合北京先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(huì)、中國(guó)超硬材料網(wǎng)、甬江實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等眾多單位攜手打造的第八屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)（Carbontech 2024）將在上海新國(guó)際博覽中心隆重舉辦。

Carbontech 2024半導(dǎo)體與加工主題設(shè)置4大論壇，寬禁帶半導(dǎo)體及創(chuàng)新應(yīng)用論壇、金剛石前沿應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇、超硬材料與超精密加工論壇、培育鉆石論壇，邀請(qǐng)國(guó)際知名團(tuán)隊(duì)、企業(yè)、資訊機(jī)構(gòu)等多方資源，從市場(chǎng)應(yīng)用需求倒推，聚焦于市場(chǎng)化需要的半導(dǎo)體材料、工藝、器件等解決方案，共同打造“材料——器件——應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)鏈，打造半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力。