Viện Quang học và Máy chính xác Thượng Hải (SIPM) tạo ra bước đột phá về lưu trữ quang 3D công suất cực lớn, độ phân giải siêu cao

Gần đây, Viện Máy móc chính xác quang học Thượng Hải (SIPM) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), hợp tác với Viện Công nghệ Thượng Hải (SIT) và các tổ chức nghiên cứu khác, đã tạo ra bước đột phá về siêu phân giải công suất cực lớn. nghiên cứu lưu trữ quang học ba chiều. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ lưu trữ quang siêu phân giải phát quang siêu phân giải do phát quang được điều chỉnh bằng chùm tia kép đầu tiên trên thế giới, lần đầu tiên trong việc ghi và đọc thông tin từ đột phá thử nghiệm về giới hạn nhiễu xạ của giới hạn, hiện thực hóa kích thước điểm 54nm, khoảng cách 70nm của độ phân giải siêu cao của bộ lưu trữ dữ liệu và hoàn thành bản ghi nhiều lớp 100-lớp, dung lượng tương đương của một đĩa đơn lên tới mức Pb, bước đột phá của Trung Quốc trong lĩnh vực thông tin lưu trữ các công nghệ cốt lõi quan trọng và đạt được sự phát triển bền vững của nền kinh tế kỹ thuật số, nhóm nghiên cứu đã đạt được tiến bộ trong việc nghiên cứu bộ lưu trữ quang ba chiều có độ phân giải siêu lớn, dung lượng cực lớn. Điều có ý nghĩa to lớn đối với Trung Quốc là vượt qua công nghệ cốt lõi quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ thông tin và hiện thực hóa sự phát triển bền vững của nền kinh tế kỹ thuật số. Kết quả nghiên cứu được công bố vào ngày 22 tháng 2 năm 2024 trên tạp chí Nature. Tác giả đầu tiên của bài báo là Tiến sĩ Hao Ruan của Viện Máy quang học Thượng Hải (SIOM), và các tác giả tương ứng là Viện sĩ Min Gu, Giám đốc Viện nghiên cứu Chip quang tử của Viện Công nghệ Thượng Hải (SIT) và Giáo sư Jing Wen của Viện Công nghệ Thượng Hải (SIT). Tiến sĩ Zhao Miao, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của SIPM và Giáo sư Wen Jing của Viện Công nghệ Thượng Hải (SIT) là những tác giả chung đầu tiên của bài báo.
Công nghệ lưu trữ quang học có những ưu điểm độc đáo là thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng, an toàn và đáng tin cậy, với tuổi thọ 50-100 năm, rất phù hợp cho việc lưu trữ dữ liệu lớn trong thời gian dài với chi phí thấp. Tuy nhiên, do hạn chế của giới hạn nhiễu xạ nên dung lượng tối đa của đĩa quang thương mại truyền thống chỉ ở mức một trăm gigabyte (GB). Trong thời đại dữ liệu lớn với lượng thông tin ngày càng tăng, vượt qua giới hạn nhiễu xạ, giảm kích thước điểm thông tin và tăng dung lượng lưu trữ của một đĩa từ lâu đã là mục tiêu không ngừng theo đuổi của lĩnh vực lưu trữ quang học.
Năm 1994, nhà khoa học người Đức, Giáo sư Stefan W. Hell, đã đề xuất công nghệ kính hiển vi mất bức xạ kích thích, lần đầu tiên chứng minh giới hạn nhiễu xạ quang học có thể bị phá vỡ và đoạt giải Nobel Hóa học năm 2014. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển, kết quả siêu phân giải quang học đã được hiện thực hóa trong một số lĩnh vực như hình ảnh vi mô, viết trực tiếp nano laser, v.v., và việc ghi thông tin siêu phân giải đã được giải quyết. Tuy nhiên, thuốc nhuộm truyền thống rất dễ bị phát huỳnh quang ở trạng thái tổng hợp, dẫn đến mất thông tin, đồng thời cũng khó bị tiêu diệt bởi nhiễu nền ở cấp độ nano, dẫn đến khó đọc được siêu phân giải. thông tin và thường dựa vào kết quả quét của kính hiển vi điện tử, điều này hạn chế việc ứng dụng công nghệ siêu phân giải trong lĩnh vực lưu trữ quang học. Do đó, sự phát triển của việc hiện thực hóa đồng bộ khả năng ghi siêu phân giải, đọc siêu phân giải, lưu trữ ba chiều và phương tiện có tuổi thọ cao đã hơn 10 năm trong lĩnh vực nghiên cứu lưu trữ quang học cần được giải quyết.
Vào những năm 1980, Viện Máy quang học Thượng Hải Gan Fuxi đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu công nghệ lưu trữ đĩa quang kỹ thuật số của Trung Quốc, nhóm nghiên cứu đã và đang lao vào lĩnh vực lưu trữ quang học. Dựa vào nền tảng nghiên cứu phong phú và các giải pháp công nghệ tiên tiến, dựa trên công nghệ siêu phân giải chùm tia kép và phương tiện lưu trữ phát quang do tập hợp gây ra, trong việc ghi và đọc thông tin đã vượt qua giới hạn nhiễu xạ, hiện thực hóa kích thước điểm là 54 nm, khoảng cách giữa các đường lưu trữ dữ liệu siêu phân giải 70 nm và hoàn thành bản ghi nhiều lớp 100-, dung lượng tương đương của một đĩa đơn là khoảng 1,6 Pb. Sau khi tăng tốc độ kiểm tra độ lão hóa của phương tiện truyền thông đĩa quang trong hơn 40 năm, tăng tốc độ đọc lặp lại Lớn hơn 40 năm, độ tương phản huỳnh quang đọc lặp lại được tăng tốc vẫn cao tới 20,5: 1. Đây là lần đầu tiên trên thế giới hiện thực hóa mức Pb của bộ lưu trữ quang dung lượng cực lớn, người đánh giá đánh giá cao: "Đây là sự đổi mới mang tính đột phá của công nghệ lưu trữ quang cấp Pb..." "So với các công nghệ hiện có khác , công nghệ này cung cấp mật độ bề mặt lưu trữ quang học cao nhất về hiệu suất..." "Kết quả nghiên cứu có thể dẫn đến bước đột phá trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu tại trung tâm dữ liệu, giải quyết các thách thức về công nghệ lưu trữ về dung lượng lớn và tiết kiệm năng lượng...".
Mọi thứ từ kính hiển vi quang học đến công nghệ lưu trữ quang học đều bị giới hạn bởi giới hạn nhiễu xạ quang học. Trong số 125 bài toán khoa học tiên tiến nhất thế giới được Science công bố năm 2021, việc phá vỡ giới hạn nhiễu xạ thậm chí còn cao hơn trong lĩnh vực vật lý. Sự phát triển thành công của đĩa quang siêu phân giải này đã giải quyết được vấn đề vật lý trong cả việc ghi và đọc thông tin, giúp Trung Quốc vượt qua các công nghệ cốt lõi quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ và sẽ đóng vai trò chính trong nền kinh tế kỹ thuật số dữ liệu lớn để đáp ứng nhu cầu lớn trong lĩnh vực công nghiệp thông tin.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ đẩy nhanh quá trình đổi mới ban đầu và nghiên cứu công nghệ then chốt, thúc đẩy tích hợp và công nghiệp hóa bộ lưu trữ quang dung lượng cực lớn, đồng thời mở rộng ứng dụng chéo của nó trong lĩnh vực hình ảnh vi mô quang học, màn hình quang học, quang học xử lý thông tin, để tạo ra nhiều kết quả đổi mới xuất sắc hơn.
Công việc nghiên cứu được hỗ trợ bởi các dự án lớn của Ủy ban Khoa học và Công nghệ Thượng Hải và Chương trình R&D trọng điểm quốc gia.

Hình 1 Sơ đồ chuẩn bị đĩa quang cấp Pb và chế độ đọc/ghi

Hình 2 Kết quả ghi thông tin siêu phân giải

Hình 3 100-kết quả khôi phục lớp ghi và giải mã mã nhị phân

Hình 4 Ảnh vật lý của đĩa quang