中国科大实现高密度高可靠性金刚石光学信息存储

　　中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、王亚、夏慷蔚等人正在光学信息存储范畴取患上重要进展，提出并成长基于金刚石发光点缺陷的四维信息存储技能，具有面向现实使用所需高密度、超长免保护寿命、疾速读写等要害特征，无望为“数据年夜爆炸”信息时代所亟需的新一代绿色高容量信息存储供给解决方案。这项研究结果以“Terabit-scale high-fidelity diamond data storage”为题，于11月27日正在线颁发正在Nature Photonics上。

　　信息时代已进入“年夜数据”阶段，海量数据的收罗、存储以及阐发技能一直前进，正成为鞭策科技成长的要害气力。对海量数据的使用将正在平易近生、医疗、军事等多个范畴发生深远且重年夜的影响。然而，以后数据存储技能（如磁盘、光盘、固态硬盘等）的成长远远滞后于数据量的增加，存储容量的瓶颈以及高能耗问题已成为制约海量数据处置惩罚与使用的要害应战之一。

　　经由过程准确制备纳米资料光源并调控光旌旗灯号的强度、波长、偏振等多维度特征，光学存储技能最近几年来成为完成高密度存储的重要成长路径之一。然而，纳米资料的波动性差、信息读写速率较慢、误差年夜和高能耗等问题，使患上光学存储技能正在向现实使用转化的历程中面对伟大应战。

　　本文研究团队立异性天时用金刚石中一种可准确人工制备的发光点缺陷，胜利解决了上述系列应战。研究发明，金刚石中的原子标准弗兰克尔缺陷具有波动的发光特征，并能准确制备可控调治其发光明度来编码数据，成为抱负的信息存储单位。患上益于金刚石资料的超高硬度（为天然界最坚挺资料之一）和其卓着的化学波动性（如抗酸碱腐化等），存储正在金刚石光盘中的数据极其波动。经由过程低温测试并联合阿伦尼乌斯定律预测信息单位的波动性，纵然正在200℃低温情况下，金刚石中数据的存储寿命可以远超百年。同时，该存储无需任何保护（如温湿度节制等），没有发生数据存储的能耗。

　　为了完成高密度高靠得住性存储，研究职员成长了基于飞秒脉冲加工的疾速高精度三维缺陷制备技能，单个飞秒脉冲（约200飞秒）便可实现对存储单位的制备，信息写入精度高于99.9%，已到达蓝光光盘国度尺度。研究职员还进一步成长了二维、三维的并行读出技能，可同时完成对上万比特高效读出。以后，存储单位的尺寸可到达69nm（约为波长的十二分之一），单位距离正在1微米摆布，存储密度到达Terabit/cm³量级，比蓝光光盘存储密度普及三个量级。

　　图1：（a）金刚石信息存储观点图;（b）屡次读出后荧光旌旗灯号的波动性表征;（c）高密度重叠下信息存储单位扫描成像成果;（d）经由过程荧光强度复用完成的色调图案存储;（e）试验应用的单个飞秒脉冲表征;（f）经由过程超辨别显微镜察看单个荧光存储单位尺寸，存储单位荧光旌旗灯号为负旌旗灯号；（g）四维信息存储数据展示。

　　图2：金刚石光盘的写-读效果展示。将世界上第一个计时摄影作品《飞奔中的马》（由埃德沃德·迈布里奇于1878年拍摄）的没有同帧数，经由过程三维重叠存储正在金刚石中，并经由过程读取造成的动画效果。每一一帧的动画数据占用金刚石存储的横向尺寸为90×70平方微米。

　　该研究团队不断致力于固态发光点缺陷的可节制备与高机能器件的开发。最近几年来，团队胜利研发了一系列金刚石器件，包含面向磁学资料检测的纳米级磁成像量子器件[Rev. Sci. Instrum. 92, 055001 (2021)、Sci. Adv. 8, eabn9573 (2022)]、面向半导体迷信的点缺陷成像量子器件[Nat. Photonics. 18, 230–235 (2024)]、面向低压迷信的极度压力前提下的原位磁丈量量子器件[Nat.Co妹妹un. 15, 8843 (2024)]。本项研究进一步拓展了固态发光点缺陷正在新型信息存储范畴的使用。除了了本项事情 ，研究团队还开发了基于稀土离子发光点缺陷的可擦写信息存储器件 [Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)]，经由过程成长新技能充实开掘固态点缺陷的使用后劲，为新一代绿色高密度信息存储供给新的解决方案。

　　中国迷信院宏观磁共振重点试验室博士研究生周晶阳与特任副研究员苏佳为本事情配合第一作者，杜江峰院士、王亚传授、夏慷蔚传授为配合通信作者。此项研究获得了国度天然迷信基金委、中国迷信院、科技部、安徽省的赞助。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01573-1