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大数据时代，信息量正在增加。 据国际权威机构IDC统计，全球数据量有望达到惊人的175ZB（1 ZB 11万亿GB），如何安全、高效、低成本地存储这些数据，已成为亟待解决的问题。
目前，数据的存储和归档主要依靠半导体闪存器件和硬盘驱动器，其缺点是能耗高、成本高、寿命短。 光数据存储（ODS）技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50至100年的独特优势，非常适合海量数据的长期低成本存储。 但是，由于光学衍射的限制，传统商用光盘的最大容量只有100GB量级。 如何在有限的体积下有效提高存储密度，增加单个磁盘的存储容量，一直是光存储领域的一大挑战。 为了提高光存储介质的存储密度，研究人员主要采用了两种方法：第一种是基于物理量的多维光存储技术，如金属纳米棒的表面等离子体特性和熔融石英中纳米光栅的双折射现象，以多重物理量如强度， 用于多维信息存储的极化态、轨道角动量等物理量;第二种是基于多层的三维光存储技术，该技术将多光子写入光致变色材料、光折射聚合物或晶体等材料中。 但是，上述两种方法都没有突破光学衍射极限的限制，相邻记录点的通道间距大于衍射极限的大小，单个圆盘的等效容量仅在terb的量级。 在2021年《科学》杂志发表的125个最前沿的科学问题中，光学衍射极限的局限性位居物理学领域之首，也是《自然》杂志2024年来年重点关注的七个技术领域之一。 为了突破衍射极限的极限，德国科学家Stefan WHell教授提出了受激发射耗竭（STED），并于2014年获得了诺贝尔化学奖。 2013年，顾敏院士利用双光束原理实现了9纳米激光直写技术。 然而，基于类STED机制实现超分辨率光存储是极具挑战性的，因为存储介质不仅需要有具有开关特性的开关抑制通道，还要实现超分辨率的写读，可以三维存储，材料必须具有稳定的性能，易于长期存储。
近日，来自上海理工大学、中科院上海光学精密机械研究所等科研人员在超大容量3D纳米光子存储领域取得了重大突破。 结果已于2月22日公布”。a 3d nanoscale optical disk memory with petabit capacity（Pb级存储容量3D纳米光盘存储器）发表在nature以上。 
上海理工大学光子芯片研究所所长，张江实验室光学计算研究所所长顾敏院士， 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员阮浩， 上海理工大学温静教授是本文的共同通讯作者; ， 中国科学院上海光学精密机械研究所博士后 赵淼上海理工大学温静教授他是共同第一作者。 ， 中国科学院上海光学精密机械研究所博士生 胡 乔北京大学魏勋斌教授和中国科学院化学研究所钟玉武教授参与研究。
单张光盘的等效容量高达PB，比现有光盘高出10,000倍
研究人员开发了一种掺杂聚集诱导发光染料（具有聚集诱导发射的DIE掺杂光刻胶（AIE-DDPR））的有机树脂薄膜。 它有几个重要的属性。 首先，超分辨率纳米级光学写入是基于三重态-三重态吸收机制的。 环形束与有机树脂的相互作用利用三重-三重吸收效应有效抑制了有机树脂的聚合作用。 其次，对于数据读出，基于激光激发的光刺激聚集诱导发射（OS-AIE）可以选择性地增强写入区域发出的荧光强度，并且还利用环形光抑制荧光增强现象。 最后，使用STED显微镜进行超分辨率读数。 如：图1示意图示出了3D纳米光盘的读写原理和制备过程，最终实现了点大小为54 nm、通道间距为70 nm的超分辨率数据存储，完成了100层的多层记录，相当于相当于等效容量高达PB量级的单个磁盘， 这相当于至少 10,000 张蓝光光盘或 100 张商用硬盘。值得一提的是，AIE-DDPR材料不仅具有40多年的使用寿命，而且兼容传统光盘量产的标准工艺流程，具有非常广阔的应用前景。 
图1：3D纳米光盘读写原理及制作制备工艺示意图 来源：Nature 626， 772 778 （2024） 光盘的标准尺寸为直径120毫米，基于这种**的材料和方法，每边100层计算的等效容量和存储表面密度都优于目前所有高性能存储系统， 是最先进的光盘的数千倍，是市场上普通商用蓝光光盘容量的10,000倍。
图 2：AIE-DDPR 和现有高性能存储系统的关键指标。
资料来源：Nature 626， 772 778 （2024）。
用于激光可调谐聚集诱导发光染料（OS-AIE）的超分辨率光学存储技术。
此外，该研究首次报道了飞秒激光控制下的聚集诱导发光现象（OS-AIE），并深化了一系列新的机理过程。 图3揭示了AIE-DDPR材料从胶体（第一态）、紫外固化（第二态）和飞秒激光束（第三态）的状态变化。 AIE-DDPR材料只有在处于第二种状态时才会发出微弱的荧光。 当515 nm处的固体飞秒激光诱导从第二态向第三态的转变时，薄膜进一步聚合，导致聚集诱导发光强度增强，第三态的发射光谱相对于第二态发生红移。 然而，环形639 nm连续激光器与材料具有三重态-三重态吸收效应，从而阻止了外围区域的上述过程。 随着激光功率的增加，在490 550 nm波长范围内，第三态的荧光发射增强更加强烈，记录点的荧光对比度可达60：1。 
图3：飞秒激光诱导OS-AIE的作用机理 来源：Nature 626， 772 778 （2024） 研究人员认为，飞秒激光不仅可以在改善材料聚集状态的同时提高荧光生成强度，还可以实现发射光谱的运动，使信息记录点在检测范围内保持超分辨率尺度的高荧光对比度，实现超分辨率读出。
总结
本文提出了一种用于激光可调谐聚集诱导发光染料（OS-AIE）的超分辨率光学存储技术突破信息存储领域关键核心技术壁垒，将单盘等效容量提升到PB量级，对我国突破信息存储领域关键核心技术壁垒，实现数字经济可持续发展具有重要意义。 未来，OS-AIE原理在有机发光二极管的高分辨率显示、生物显微镜、光子芯片光源等领域可能具有相当大的应用潜力。 顾敏院士指出，下一步将是开发面向工业化的纳米级光子存储技术，以满足大数据时代的海量数据存储需求，其成本、能耗和空间将远低于目前的光盘库和HDD数据柜存储技术。 界限---
跨尺度纳米级3D飞秒激光直写设备
上海金雷光电统筹华中科技大学研发的系统，提供纳米级高精度无掩模光刻和纳米级3D微纳结构打印，配合定制软件系统，智能完成其他纳米级3D器件的高精度无掩模光刻和激光直写光刻的制造。