在科幻片里我们常看到这样一个场景，主人公从口袋里掏出微型设备，打开海量数据库执行任务。倘若在不久的将来，我们不用再专门跑到图书馆查询文档，或是拿着沉甸甸的硬盘拷贝数据资料，而是轻松地在口袋里携带一个“大数据中心”，随时找到需要的数据，这将是多棒的体验？
2月25日，上海理工大学未来光学实验室人工智能纳米光子学中心顾敏院士团队在Science子刊Science Advances（《科学进展》）杂志上发表高水平论文，在光信息存储技术领域让上述海量数据实现“随身带”有了可能。
据了解，到2025年，全球生成的数据总量预计达到175 ZB（泽字节，1 ZB等于10亿TB即太字节），如果将这么多数据存储在蓝光光盘上，则光盘堆栈的高度将是地球到月球距离的23倍，开发能够容纳如此大量数据的存储技术迫在眉睫。
不断增长的信息存储需求导致大数据中心的广泛使用，这些数据中心能量消耗巨大，约占全球电力供应的3％，且依赖于基于磁记录的硬盘驱动器，该硬盘驱动器的存储容量有限，单盘片数据存储量最大为2 TB，使用寿命一般只有3至5年。利用激光实现的光存储技术有望满足以上数据存储需求，同时可以有效节省成本，在读写、储存时能够降低巨大能耗，且使用寿命长达20年左右。在过去的几十年中，光存储技术取得了长足进步。但光的衍射性质却限制了可达到的信息位大小，限制了光盘的存储容量，光盘存储容量仍被限制在几个TB。
对此，上海理工大学顾敏院士团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学、新加坡国立大学刘晓刚教授团队联合开展研究，论文“基于上转换共振能量转移的纳米级光学写入技术（Nanoscale optical writing through upconversion resonance energy transfer）”发表于Science子刊Science Advances（《科学进展》）上，研究的实验工作由上理工博士后西蒙尼·拉蒙（Simone Lamon）完成。
据上理工顾敏院士团队介绍，这是一项旨在解决海量大数据光存储技术瓶颈的研究，此研究通过镧系元素（稀土元素之一）掺杂的荧光上转换纳米颗粒和氧化石墨烯结合，实现低功率的光学写入纳米级信息位（纳米级是指1至100纳米的大小，其中1纳米等于1米的十亿分之一），为下一代光信息存储技术提供了新的方案。研究所开发的亚衍射光学写入技术将大大提高数据密度，可以生产出在所有可用光学技术中具有最大存储容量的光盘，预计1张12厘米的光盘数据存储量可以达到700 TB，相当于28000张蓝光光盘的存储量。此外，此技术使用一种新的纳米复合材料，将氧化石墨烯与荧光上转换纳米颗粒结合在一起，使用荧光上转换纳米颗粒将亚衍射信息位写入纳米复合材料，在结构光照明下局部还原氧化石墨烯，还原氧化石墨稀的过程通过共振能量转移来完成，从而降低能耗，延长光学器件的使用寿命。同时，与传统光学写入技术使用昂贵且笨重的脉冲激光器相比，此技术使用便宜的连续波激光器，大大降低了成本。
作为此篇论文的第一作者，西蒙尼·拉蒙目前是上海理工大学人工智能纳米光子学中心博士后，他表示，之所以决定加入上理工人工智能纳米光子学中心，是因为顾敏教授提出了下一代纳米光子设备与人工智能技术结合的愿景，这将掀起社会信息技术的一场革命。而作为上理工国际化人才布局的重要组成部分，学校也为来校参与科研创新的国际人才和团队提供了世界一流的设施和国际研究环境。“未来，我们的研究将致力于进一步优化特殊材料加工平台，用以改善存储容量、降低能耗和延长存储信息寿命，从而实现可持续发展的数据存储技术。我们的技术可以应用于下一代纳米光子器件所需的碳基纳米级光刻。”西蒙尼·拉蒙表示。
由此可见，这一系列创新发现为大容量光数据存储技术提供了更便宜、可持续发展的解决方案，同时适于光盘的低成本批量生产，应用潜力巨大，为解决全球数据存储挑战开辟了新途径。鉴于此研究成果的重要性，Science 主刊也作为Research Highlight报导此研究成果。
来源：第一教育 记者：臧莺
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