數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的追光之旅

徐芳芳

2018年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予來自美國、法國和加拿大的3位科學(xué)家，以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)明，諾貝爾獎(jiǎng)再次花落光學(xué)領(lǐng)域。

光學(xué)，作為一門有著悠久歷史的學(xué)科，其研究進(jìn)步時(shí)常會(huì)引發(fā)科學(xué)的巨大革命。它的神奇魅力指引著千千萬萬科研學(xué)者投身其中。

對于暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院研究員李向平來說，光學(xué)既是指路標(biāo)，也是瞭望塔。從投入科學(xué)研究至今，李向平已經(jīng)在光學(xué)研究的道路上勤勤懇懇走了10多年，也收獲了累累碩果。他長期致力于納米光學(xué)、光場調(diào)控、超分辨及多維光存儲(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)域的研究。近幾年來，李向平團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究成果先后發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）及《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）等國際權(quán)威期刊上，這也是暨南大學(xué)建校以來發(fā)表的首篇Nature Photonics和首篇Nature Nanotechnology論文。這些從無到有的成績，是他們一步一個(gè)腳印踏出的平坦大路。而在大大小小的閃光背后，始終不變的是李向平當(dāng)年對光學(xué)專業(yè)堅(jiān)定的研究初心。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，人們隨時(shí)都在處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每2年翻一番的增長速度，也給現(xiàn)有以硬盤磁存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)中心帶來了容量和能耗上的巨大挑戰(zhàn)。彼時(shí)，剛剛博士畢業(yè)的李向平敏銳地意識(shí)到以抗電磁干擾、綠色節(jié)能優(yōu)勢著稱的光存儲(chǔ)技術(shù)的機(jī)遇來了。他的判斷很快得到了Facebook和微軟等產(chǎn)業(yè)巨頭的驗(yàn)證?！氨M管光存儲(chǔ)技術(shù)綠色節(jié)能，但受到衍射極限的限制，光存儲(chǔ)容量低，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，亟待技術(shù)突破?！崩钕蚱奖硎?。為了突破現(xiàn)有光盤讀寫密度的限制，在導(dǎo)師顧敏院士帶領(lǐng)下，他基于2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)斯特凡·黑爾教授發(fā)明成果的受激熒光發(fā)射（STED）成功開發(fā)了超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，其原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以提高藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)的4萬倍！該專利技術(shù)迅速被Facebook大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部發(fā)掘，并獨(dú)家授權(quán)Optical Archive Inc。隨即，微軟公司也啟動(dòng)了Project Silica項(xiàng)目，致力于攻克面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的大容量長壽命光存儲(chǔ)技術(shù)。

萬里長征第一步

2015年回國后，李向平清晰認(rèn)識(shí)到需要系統(tǒng)研究相應(yīng)的超分辨讀介質(zhì)并開發(fā)超分辨讀寫技術(shù)。尤其受激熒光發(fā)射超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)原理依賴抑制光束在高光強(qiáng)下對熒光發(fā)射的飽和抑制效應(yīng)，超越衍射極限的讀寫分辨率是以犧牲光的能耗為代價(jià)。降低超分辨讀寫抑制光能耗成為該技術(shù)進(jìn)一步實(shí)用亟待解決的問題。

為了解開相關(guān)難題，李向平團(tuán)隊(duì)與上海理工大學(xué)和新加坡國立大學(xué)合作，基于此前科研人員在上轉(zhuǎn)換發(fā)光探針的研究基礎(chǔ)上再度創(chuàng)新，克服了STED顯微鏡在抑制光功率上的種種限制，設(shè)計(jì)出摻雜釹元素的下轉(zhuǎn)移鑭系納米顆粒，從而發(fā)展了下轉(zhuǎn)移鑭系全近紅外超分辨成像技術(shù)。

這種技術(shù)是利用摻雜釹（Nd）元素的納米顆粒作為熒光探針，從而開發(fā)出了一種新的發(fā)光鑭系元素納米探針。團(tuán)隊(duì)通過對Nd元素的下轉(zhuǎn)移納米顆粒進(jìn)行“改造”設(shè)計(jì)，使得亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)熒光輻射速率變慢，具有了長熒光壽命;粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到明顯提升，并降低了飽和光強(qiáng)3個(gè)數(shù)量級(jí)以上;在摻雜Nd元素后，發(fā)射體的下轉(zhuǎn)移熒光量子效率顯著提升，且無光漂白現(xiàn)象，分辨率可達(dá)亞20納米。對這種鑭系納米探針，李向平寄予厚望，認(rèn)為其有望解決超分辨光存儲(chǔ)中的高分辨數(shù)據(jù)讀寫，不僅能夠降低超分辨讀寫光強(qiáng)，而且有效解決了熒光分子漂泊和深層讀寫的難題，使得超分辨讀寫技術(shù)真正走向?qū)嵱眯赃~出了重要的一步。

2021年6月14日，這一突破性成果以“通過使用下轉(zhuǎn)換鑭系納米顆粒在連續(xù)波近紅外實(shí)現(xiàn)STED顯微鏡”為題刊登在了國際著名期刊《自然·納米技術(shù)》上。

雖然研究收獲不錯(cuò)的成績，但李向平及其團(tuán)隊(duì)依然沒有停下前進(jìn)的腳步，在他看來，此時(shí)的研究也只能算是走出萬里長征第一步。未來的旅程，他會(huì)繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)破浪而行，而迎接他們的不僅僅是光的希望，還有“浩瀚宇宙”。

站在光儲(chǔ)存研究浪潮前沿

機(jī)遇更喜歡垂青有準(zhǔn)備的人，李向平及其團(tuán)隊(duì)在超分辨成像上的突破為他們進(jìn)一步開拓創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)在領(lǐng)域內(nèi)的深耕和艱辛付出，2021年10月14日，李向平團(tuán)隊(duì)的六維信息復(fù)用成果刊登在國際著名期刊《自然·光子學(xué)》上，迎來了屬于光學(xué)研究“新的浩瀚宇宙”。

所謂的光存儲(chǔ)，并不是簡單地把光給存儲(chǔ)起來，而是激光器發(fā)出一束激光，當(dāng)激光遇到存儲(chǔ)材料時(shí)會(huì)發(fā)生物理或者化學(xué)反應(yīng)，性質(zhì)發(fā)生變化的位置點(diǎn)被視為二進(jìn)制數(shù)中的“1”;而激光沒有經(jīng)過的地方，材料的特性保持不變，這些位置點(diǎn)被視為二進(jìn)制數(shù)中的“0”。當(dāng)完成記錄后，光盤上就留下一串串的二進(jìn)制數(shù)0011010101，這樣就能成功地把數(shù)據(jù)刻錄在光盤上。

通常情況下，光存儲(chǔ)是“一個(gè)蘿卜一個(gè)坑”的一維存儲(chǔ)，也就是說一個(gè)位置點(diǎn)上只能存儲(chǔ)一個(gè)值，優(yōu)點(diǎn)是簡單明了，但缺點(diǎn)是容量非常有限。針對這一問題，李向平團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出利用光子攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）、波長和偏振等物理維度作為信息復(fù)用新通道的想法。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)詳細(xì)分析論證和堅(jiān)持不懈的努力，他們有了新發(fā)現(xiàn)，巧妙利用納米顆粒之間的電磁耦合作用，使其同時(shí)具有軌道角動(dòng)量、偏振、波長的多維光敏響應(yīng)，并率先開發(fā)了世界首例六維光信息復(fù)用技術(shù)，即信息可以存儲(chǔ)在軌道角動(dòng)量、波長、偏振和三維空間等物理維度，成功實(shí)現(xiàn)了“六個(gè)蘿卜一個(gè)坑”，大大提升了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力以及數(shù)據(jù)的安全性。

從超分辨讀寫技術(shù)的突破到六維復(fù)用所獲得的進(jìn)展，無論何時(shí)何地，李向平團(tuán)隊(duì)在科研中總是沖鋒在前。他們善于布局，也樂于創(chuàng)新，正是這樣的一支團(tuán)隊(duì)，站在了光儲(chǔ)存研究的浪潮前沿。直到現(xiàn)在，以李向平為帶頭人的海外青年團(tuán)隊(duì)，一直都是納米光子存儲(chǔ)技術(shù)的世界密度紀(jì)錄的保持者。

要繼續(xù)點(diǎn)亮光存儲(chǔ)科技的未來，僅靠一個(gè)人的火光之力必然太微弱，但千千萬萬個(gè)火種聚在一起，光存儲(chǔ)技術(shù)便可走得更遠(yuǎn)。作為團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)頭人，李向平在為科研上的收獲歡欣鼓舞的同時(shí)，也沒有忘記將收獲之喜傳遞下去。

“把學(xué)生培養(yǎng)好，是我接下來最重要也是最想做的事?！比缋钕蚱剿f，培養(yǎng)出越來越多的合格的光學(xué)研究者，學(xué)科才能更好地開枝散葉，“要讓學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)會(huì)分析問題，動(dòng)手解決問題，更要科學(xué)地歸納總結(jié)?！痹诶钕蚱娇磥?，具備這幾個(gè)能力，科研之路就會(huì)越走越遠(yuǎn)，越走越穩(wěn)。

如今，李向平仍然每天樂此不疲地忙碌著。在他看來，能夠用一己之專長做些實(shí)事就是自己最大的收獲。他深知：科研成果的誕生需要天時(shí)、地利、人和，展望未來，李向平相信團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)“驚喜”很快就會(huì)到來。