數據儲存的追光之旅

徐芳芳

2018年，諾貝爾物理學獎授予來自美國、法國和加拿大的3位科學家，以表彰他們在激光物理學領域的突破性發明，諾貝爾獎再次花落光學領域。

光學，作為一門有著悠久歷史的學科，其研究進步時常會引發科學的巨大革命。它的神奇魅力指引著千千萬萬科研學者投身其中。

對于暨南大學光子技術研究院研究員李向平來說，光學既是指路標，也是瞭望塔。從投入科學研究至今，李向平已經在光學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、光場調控、超分辨及多維光存儲技術等領域的研究。近幾年來，李向平團隊的相關研究成果先后發表在《自然·光子學》（Nature Photonics）及《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）等國際權威期刊上，這也是暨南大學建校以來發表的首篇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年對光學專業堅定的研究初心。

隨著大數據時代的到來，人們隨時都在處理和存儲數據，每2年翻一番的增長速度，也給現有以硬盤磁存儲技術為基礎的大數據中心帶來了容量和能耗上的巨大挑戰。彼時，剛剛博士畢業的李向平敏銳地意識到以抗電磁干擾、綠色節能優勢著稱的光存儲技術的機遇來了。他的判斷很快得到了Facebook和微軟等產業巨頭的驗證。“盡管光存儲技術綠色節能，但受到衍射極限的限制，光存儲容量低，還遠遠不能滿足大數據存儲的需求，亟待技術突破。”李向平表示。為了突破現有光盤讀寫密度的限制，在導師顧敏院士帶領下，他基于2014年諾貝爾化學獎斯特凡·黑爾教授發明成果的受激熒光發射（STED）成功開發了超分辨光存儲技術，其原理驗證實驗可以提高藍光存儲技術的4萬倍！該專利技術迅速被Facebook大數據存儲部發掘，并獨家授權Optical Archive Inc。隨即，微軟公司也啟動了Project Silica項目，致力于攻克面向大數據應用的大容量長壽命光存儲技術。

萬里長征第一步

2015年回國后，李向平清晰認識到需要系統研究相應的超分辨讀介質并開發超分辨讀寫技術。尤其受激熒光發射超分辨光存儲技術原理依賴抑制光束在高光強下對熒光發射的飽和抑制效應，超越衍射極限的讀寫分辨率是以犧牲光的能耗為代價。降低超分辨讀寫抑制光能耗成為該技術進一步實用亟待解決的問題。

為了解開相關難題，李向平團隊與上海理工大學和新加坡國立大學合作，基于此前科研人員在上轉換發光探針的研究基礎上再度創新，克服了STED顯微鏡在抑制光功率上的種種限制，設計出摻雜釹元素的下轉移鑭系納米顆粒，從而發展了下轉移鑭系全近紅外超分辨成像技術。

這種技術是利用摻雜釹（Nd）元素的納米顆粒作為熒光探針，從而開發出了一種新的發光鑭系元素納米探針。團隊通過對Nd元素的下轉移納米顆粒進行“改造”設計，使得亞穩態能級熒光輻射速率變慢，具有了長熒光壽命;粒子數反轉現象得到明顯提升，并降低了飽和光強3個數量級以上;在摻雜Nd元素后，發射體的下轉移熒光量子效率顯著提升，且無光漂白現象，分辨率可達亞20納米。對這種鑭系納米探針，李向平寄予厚望，認為其有望解決超分辨光存儲中的高分辨數據讀寫，不僅能夠降低超分辨讀寫光強，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真正走向實用性邁出了重要的一步。

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

雖然研究收獲不錯的成績，但李向平及其團隊依然沒有停下前進的腳步，在他看來，此時的研究也只能算是走出萬里長征第一步。未來的旅程，他會繼續帶領團隊破浪而行，而迎接他們的不僅僅是光的希望，還有“浩瀚宇宙”。

站在光儲存研究浪潮前沿

機遇更喜歡垂青有準備的人，李向平及其團隊在超分辨成像上的突破為他們進一步開拓創新奠定了堅實的基礎。經過團隊在領域內的深耕和艱辛付出，2021年10月14日，李向平團隊的六維信息復用成果刊登在國際著名期刊《自然·光子學》上，迎來了屬于光學研究“新的浩瀚宇宙”。

所謂的光存儲，并不是簡單地把光給存儲起來，而是激光器發出一束激光，當激光遇到存儲材料時會發生物理或者化學反應，性質發生變化的位置點被視為二進制數中的“1”;而激光沒有經過的地方，材料的特性保持不變，這些位置點被視為二進制數中的“0”。當完成記錄后，光盤上就留下一串串的二進制數0011010101，這樣就能成功地把數據刻錄在光盤上。

通常情況下，光存儲是“一個蘿卜一個坑”的一維存儲，也就是說一個位置點上只能存儲一個值，優點是簡單明了，但缺點是容量非常有限。針對這一問題，李向平團隊另辟蹊徑，提出利用光子攜帶軌道角動量（OAM）、波長和偏振等物理維度作為信息復用新通道的想法。經過團隊詳細分析論證和堅持不懈的努力，他們有了新發現，巧妙利用納米顆粒之間的電磁耦合作用，使其同時具有軌道角動量、偏振、波長的多維光敏響應，并率先開發了世界首例六維光信息復用技術，即信息可以存儲在軌道角動量、波長、偏振和三維空間等物理維度，成功實現了“六個蘿卜一個坑”，大大提升了存儲數據的能力以及數據的安全性。

從超分辨讀寫技術的突破到六維復用所獲得的進展，無論何時何地，李向平團隊在科研中總是沖鋒在前。他們善于布局，也樂于創新，正是這樣的一支團隊，站在了光儲存研究的浪潮前沿。直到現在，以李向平為帶頭人的海外青年團隊，一直都是納米光子存儲技術的世界密度紀錄的保持者。

要繼續點亮光存儲科技的未來，僅靠一個人的火光之力必然太微弱，但千千萬萬個火種聚在一起，光存儲技術便可走得更遠。作為團隊的領頭人，李向平在為科研上的收獲歡欣鼓舞的同時，也沒有忘記將收獲之喜傳遞下去。

“把學生培養好，是我接下來最重要也是最想做的事。”如李向平所說，培養出越來越多的合格的光學研究者，學科才能更好地開枝散葉，“要讓學生學會發現問題，學會分析問題，動手解決問題，更要科學地歸納總結。”在李向平看來，具備這幾個能力，科研之路就會越走越遠，越走越穩。

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事就是自己最大的收獲。他深知：科研成果的誕生需要天時、地利、人和，展望未來，李向平相信團隊的下一個“驚喜”很快就會到來。