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陷的四維信息存儲技術，具備面向實際應用所需高密度、超長免維護壽命、快速讀寫等關鍵特性，有望為“數據大爆炸”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日在線發表在Nature Photonics上。
 

　　信息時代已進入“大數據”階段，海量數據的采集、存儲和分析技術不斷進步，正成為推動科技發展的關鍵力量。對海量數據的應用將在民生、醫療、軍事等多個領域產生深遠且重大的影響。然而，當前數據存儲技術(如磁盤、光盤、固態硬盤等)的發展遠遠滯后于數據量的增長，存儲容量的瓶頸和高能耗問題已成為制約海量數據處理與應用的關鍵挑戰之一。
 

　　通過精確制備納米材料光源并調控光信號的強度、波長、偏振等多維度特性，光學存儲技術近年來成為實現高密度存儲的重要發展路徑之一。然而，納米材料的穩定性差、信息讀寫速度較慢、誤差大以及高能耗等問題，使得光學存儲技術在向實際應用轉化的過程中面臨巨大挑戰。
 

　　本文研究團隊創新性地利用金剛石中一種可精確人工制備的發光點缺陷，成功解決了上述系列挑戰。研究發現，金剛石中的原子尺度弗蘭克爾缺陷具備穩定的發光特性，并能精確制備可控調節其發光亮度來編碼數據，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)以及其卓越的化學穩定性(如抗酸堿腐蝕等)，存儲在金剛石光盤中的數據極為穩定。通過高溫測試并結合阿倫尼烏斯定律預測信息單元的穩定性，即使在200℃高溫環境下，金剛石中數據的存儲壽命可以遠超百年。同時，該存儲無需任何維護(如溫濕度控制等)，不產生數據存儲的能耗。
 

　　為了實現高密度高可靠性存儲，研究人員發展了基于飛秒脈沖加工的快速高精度三維缺陷制備技術，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%，已達到藍光光盤國家標準。研究人員還進一步發展了二維、三維的并行讀出技術，可同時實現對上萬比特高效讀出。當前，存儲單元的尺寸可達到69nm(約為波長的十二分之一)，單元間隔在1微米左右，存儲密度達到Terabit/cm3量級，比藍光光盤存儲密度提高三個量級。
 

　　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定性表征;(c)高密度堆疊下信息存儲單元掃描成像結果;(d)通過熒光強度復用實現的色彩圖案存儲;(e)實驗使用的單個飛秒脈沖表征;(f)通過超分辨顯微鏡觀察單個熒光存儲單元尺寸，存儲單元熒光信號為負信號；(g)四維信息存儲數據展示。
 

　　圖2：金剛石光盤的寫-讀效果展示。將世界上第一個計時攝影作品《飛馳中的馬》(由埃德沃德·邁布里奇于1878年拍攝)的不同幀數，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。每一幀的動畫數據占用金剛石存儲的橫向尺寸為90×70平方微米。
 

　　該研究團隊一直致力于固態發光點缺陷的可控制備與高性能器件的開發。近年來，團隊成功研發了一系列金剛石器件，包括面向磁學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)]、面向半導體科學的點缺陷成像量子器件[Nat. Photonics.18, 230–235 (2024)]、面向高壓科學的極端壓力條件下的原位磁測量量子器件[Nat.Commun. 15, 8843 (2024)]。本項研究進一步拓展了固態發光點缺陷在新型信息存儲領域的應用。除了本項工作 ，研究團隊還開發了基于稀土離子發光點缺陷的可擦寫信息存儲器件 [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，通過發展新技術充分挖掘固態點缺陷的應用潛力，為新一代綠色高密度信息存儲提供新的解決方案。
 

　　中國科學院微觀磁共振重點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基金委、中國科學院、科技部、安徽省的資助。