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最近,中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称“上海光机所”)和上海理工大学等科研机构携手,在超大规模三维超分辨率光存储研究方面取得了突破性的进展。研究团队运用国际首例的双光束调控聚集诱导发光超分辨率光存储技术,在信息写入和读取两方面都打破了衍射限制,实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨率数据存储,并成功地完成了100层的多层记录,单盘等效容量达到了Pb级别。这对于我国在信息存储领域破解“瓶颈”难题、实现数字经济持续发展具有重大的意义。相关研究成果已在2024年2月22日的《自然》(Nature) 杂志上发表。
光存储技术拥有环保、安全、使用寿命长达50至100年的显著优点,特别适合长时间低成本储存大量数据。然而,由于衍射限制,传统商业光盘的最大容量只有数百GB。在大数据时代,随着信息量的不断增长,如何突破衍射限制、减小信息点尺寸、提升单盘存储容量一直是光存储领域的努力方向。
1994年,德国科学家Stefan W. Hell教授提出了受激辐射损耗显微技术,证实了光学衍射极限可以被打破,并在2014年获得了诺贝尔化学奖。经过二十多年的发展,光学超分辨率已经在显微成像、激光纳米光刻等多个领域取得了成就,但超分辨率的信息读取仍然困难。传统的染料在聚集状态下容易发生荧光猝灭,导致信息丢失,同时在纳米尺度下容易被背景噪声淹没,使得超分辨率的信息难以读出,通常需要依赖电镜扫描的方式进行读取,这限制了超分辨率技术在光存储领域的应用。
自从上世纪80年代开始,上海光机所的干福熹院士开启了我国数字光盘存储技术的研究工作,上海光机所团队一直在光存储领域深入耕耘。依靠深厚的研究基础和创新的技术方案,结合双光束超分辨率技术和聚集诱导发光光刻胶材料,研究团队在信息写入和读取方面都突破了衍射限制,实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨率数据存储,并完成了100层的多层记录,单盘等效容量约为1.6Pb。经过老化加速测试,光盘媒介的寿命超过了40年,加速重复读取后的荧光对比度依然高达20.5:1,这是全球首次实现Pb级别的超大规模光存储。
从光学显微技术到现今“瓶颈”的光刻机,再到光存储技术,都受到了光学衍射极限的制约。在2021年 Science 发布的世界前沿的125个科学问题中,突破衍射极限限制在物理学领域位列第一。此次成功研发的超分辨率光盘在信息写入和读取方面都解决了这个物理难题,有利于我国在存储领域突破“瓶颈”,将在大数据数字经济中发挥重要的作用,以满足信息技术领域的重要需求。
未来,研究团队将继续加强原始创新和技术难关的攻克,推动超大容量光存储的集成化和产业化进程,并将其应用于显微成像、光刻、传感器、光信息处理等领域,创造更多的创新成果。
(来源:总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉)
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