科学家提出全新多维光存储方案，实现超大规模数据的低能耗永久保存，可用于三维彩色显示和光学防伪
在文章开始，我们来看一组精美的彩色图案：如下图，这是几张麦克斯韦和牛顿的头像、梵高的著名画作《星月夜》、以及三维几何体，它们的尺寸仅有几十到数百微米。更有趣的是，牛顿头像可以被隐藏起来，只有在特定波长的偏振光照明下才能显示。
而在普通白光照射之下、以及双折射偏光显微镜下，牛顿头像图都无法被清晰地呈现。当使用错误波段的光照射之时，还会显示完全不同的麦克斯韦头像。
图 | 多维信息全彩显示和光学信息加密（来源：Advanced Materials）
那么，上述过程是如何实现的？这其实依赖于一种名为“超快激光选择性诱导铌酸锂单晶微相变”的全新多维光存储方案。
该方案由浙江大学团队和之江实验室联合打造，研究人员利用超快激光诱导非晶化相变的局部光学相位调制，在晶体色偏振效应的帮助之下，在激光修饰区域产生了像素级三维结构色信号，借此实现了存储数据的写入和读取。
以往的多维光存储技术，一般是提取双折射、荧光等数据信号。而在这种新型多维光存储策略中，信息能以肉眼可见的彩色像素点阵形式呈现。
这就允许人们直接通过图像识别进行高速数据提取，无需依赖昂贵且复杂的光学分析系统和信号处理过程，解决了光存储技术数据读取速度慢的问题。
由于铌酸锂的玻璃相和晶体相在可见光波段都具有良好的透明性，这使得无论在透射模式还是反射模式下，都可以分别从正面和背面获得高度一致的数据信号，从而让多通道三维数据的读取成为可能。
此外，通过对激光写入参数编码，可以实现对数据点颜色和强度的独立操控，从而将其作为新的信息复用通道，进而实现多维数据的存储。
另据悉，超快激光诱导微相变光存储具有诸多优异的性能。例如，由于激光诱导的微相变区域尺寸相对较小，因此在直写加工条件之下，数据点直径可以降至 500nm，这样一来单盘存储容量可以达到 TB 级。如果引入超分辨的加工策略，这些指标还能够进一步提升。
更重要的是，在全无机介质的包裹和保护下，微相变结构具有极高的稳定性，保存的信息可以承受多种极端环境，比如能承受 42T 的强磁场、700℃ 的高温、60% HNO3 的强酸、以及 50kGy 的 X 射线等，而这些都是传统存储技术所无法承受的。
研究中的加速老化实验数据显示，当在室温之下使用这种存储方案，数据存储寿命长达 1.4×1013 年，能够实现对于超大规模数据的低能耗永久保存。
总的来说，本工作所提出的超快激光诱导铌酸锂晶体微相变基质、及其在三维空间中实现像素级结构色的策略，有望开辟全新的研究方向，对于三维彩色显示、先进信息加密和高效多维数据存储等领域的发展具有长远意义。
而这种超快激光选择性诱导单晶微相变光存储方案，之所以有望用于大规模数据的长效存储，主要依赖于以下三点：
其一，存储基质标准化。铌酸锂晶体集多种光电性能于一体，被称为光量子时代的“光学硅”，此前已被广泛用于微纳光子学和集成光子学等领域。因此，本次方案可以被集成于各种成熟光学系统之中。
其二，读写装置简单。得益于超快激光的脉冲内耦合材料修饰机制和基于结构色的信号读取原理，当使用本方案时，不仅数据写入快速简单，不依赖复杂光学系统，而且不需要借助任何复杂光学分析探测，即可实现数据高效面读取。
其三，本次方案的存储综合性能优异，存储容量、存储寿命、数据读写速度、器件稳定性等指标在同类技术中均处于领先水平。
图 | 多维光存储应用（来源：Advanced Materials）
同时，得益于超快激光直写的高度灵活性，通过设计激光写入参数，就可以独立地操控微相变区域结构特征，从而自由地在三维空间中直写各种彩色像素，以及精细操控各个像素的颜色，借此实现图案打印的定制化、以及彩色图像色调的选择性调谐。
除平面图案之外，还能实现晶体基质内的三维彩色图案化打印与显示。由于各个像素之间完全独立，因此可以在三维空间中的任何位置实现色彩特征的良好控制。
此外，利用晶体色偏振的波长选择性，本次方案还可用于多级信息加密和先进光学防伪等领域。
如何掌控信息时代的“石油”？
在互联网时代，几乎每一位智能手机用户每天都在和数据打交道。大数据被称为信息时代的“石油”，是新时代重要的战略资源，对大数据的掌控能力已成为保障国家竞争新优势的基础。
近年来，随着人工智能、物联网等技术的发展，人类社会产生的数据总量呈指数爆炸式增长。根据国际数据公司（International Data Corporation，）统计，2020 年全球产生 64ZB 数据（1ZB=1012GB），预计到 2025 年全球数据总量将达到 175ZB。
存储如此庞大的数据需要消耗巨大能量，数据中心服务商 发布的报告指出现代数据中心能耗将突破全球发电总量的 8%。
另据悉，我国 2020 年数据中心耗电量就已突破 2000 亿千瓦时，相当于两个三峡电站的年发电量，并且数据中心耗电量仍以每年百分之十以上的速度增长，长此以往将引发全球性能源和环境危机，有违国家“碳达峰、碳中和”的发展目标。
同时，现有数据中心主要依赖磁存储和半导体存储，在面对如此大规模数据保存时，存在可靠性差、寿命短、存储密度低等问题，需要频繁进行数据迁移以保证存储数据的安全准确，这进一步加大了能源消耗和资源浪费。
因此，迫切需要研发新一代大数据存储方案，以实现海量数据的高密度、低能耗和超长寿命保存。
基于超快激光在无机透明介质内部刻写微纳结构的光存储方案，具有存储容量大、稳定性高、寿命长等优势，为大规模数据长期保存提供了绝佳的解决方案，例如稀土离子掺杂玻璃荧光存储和石英玻璃纳米光栅存储。
然而，由于无机透明介质固有高损伤阈值的限制，这类存储技术普遍需要多脉冲联合作用和较高的激光功率，写入速度较慢。
同时，当进行数据提取的时候，往往依赖复杂光学系统和成像算法，读取效率亦受到限制。此外，存储介质均匀性不足、读取设备昂贵等问题也严重制约了这类技术的推广和大规模应用。
图 | 全新的光存储机制（来源：Advanced Materials）
从被激光“打坏”的废样品说起
事实上，课题组原本研究的是铌酸锂内部的超快激光加工，偶然一次因为操作失误，他们在被激光“打坏”的废样品中，发现晶体内部产生了“三维彩色像素点”。
当时，他们只觉得这个现象非常有趣，并不了解其内在机理。出于对这一现象的好奇，该团队开始逐步揭示了现象背后的奥秘，最终实现了美轮美奂的彩色图像三维显示，也实现了能被精确调控光存储器件。
具体来说，他们先是发现了超快激光与物质相互作用过程中的脉冲内耦合材料修饰机制。
在晶体双折射效应的作用之下，入射的单个超快激光脉冲，会分裂为传播速度不同的两个脉冲，它们会先后对焦点区域进行修饰、诱导微纳结构。
这种机制的好处在于，它能极大提升辐照区域材料对于超快激光的非线性吸收率，从而最大程度地利用单脉冲能量。
在脉冲内耦合机制的帮助下，仅通过单个 nJ 级超快脉冲，即可诱导用于信息记录的微相变结构，从而实现高速、低能耗的数据写入。
实验表明，所产生的微相变结构本质是一种局部非晶化修饰。简单来说，就是在晶体中刻入了由玻璃构成的数据点。
玻璃和晶体是物质的两种形态，它们具有截然不同的光学性质，在晶体中嵌入玻璃，可以对在铌酸锂晶体中传播的复色光进行显著的局部相位调制。
通过大量实验和调试，课题组对调制微相变结构色的方式进行探索，以便精确地使用超快激光调控微相变结构特征，进而以灵活独立的方式来操控写入像素的颜色和强度。
这样一来，就能够复用结构色信号的颜色和强度，从而实现多维信息的写入与提取。
在归纳实验结果的时候，为了形成系统化的微相变多维光存储方案，研究人员专门和产业界的工程师、以及国外同行进行交流，以便把科研成果和产业需求联系起来。
最终，相关论文以《铌酸锂晶体中体素级结构颜色的三维打印》（）为题发在 Advanced Materials[1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
浙江大学博士生王卓和助理研究员为论文第一作者，、以及之江实验室研究员、浙江大学教授担任共同通讯作者。
图 | 张博（来源：）
未来，他们将专注于研究超快激光刻写无机透明介质光存储，通过开发高速光调制技术和新型光存储介质，大幅提升数据写入效率与信息集成度。
同时，也将致力于研发更加稳定的光存储数据读写装置，推进超快激光直写铌酸锂单晶微相变光存储的实用化。