在文章開始，我們來看一組精美的彩色圖案：如下圖，這是幾張麥克斯韋和牛頓的頭像、梵谷的著名畫作《星月夜》、以及三維幾何體，它們的尺寸僅有幾十到數百微米。更有趣的是，牛頓頭像可以被隱藏起來，只有在特定波長的偏振光照明下才能顯示。
而在普通白光照射之下、以及雙折射偏光顯微鏡下，牛頓頭像圖都無法被清晰地呈現。當使用錯誤波段的光照射之時，還會顯示完全不同的麥克斯韋頭像。
圖 | 多維信息全彩顯示和光學信息加密（來源：Advanced Materials）
那麼，上述過程是如何實現的？這其實依賴於一種名為「超快雷射選擇性誘導鈮酸鋰單晶微相變」的全新多維光存儲方案。
該方案由浙江大學團隊和之江實驗室聯合打造，研究人員利用超快雷射誘導非晶化相變的局部光學相位調製，在晶體色偏振效應的幫助之下，在雷射修飾區域產生了像素級三維結構色信號，藉此實現了存儲數據的寫入和讀取。
以往的多維光存儲技術，一般是提取雙折射、螢光等數據信號。而在這種新型多維光存儲策略中，信息能以肉眼可見的彩色像素點陣形式呈現。
這就允許人們直接通過圖像識別進行高速數據提取，無需依賴昂貴且複雜的光學分析系統和信號處理過程，解決了光存儲技術數據讀取速度慢的問題。
由於鈮酸鋰的玻璃相和晶體相在可見光波段都具有良好的透明性，這使得無論在透射模式還是反射模式下，都可以分別從正面和背面獲得高度一致的數據信號，從而讓多通道三維數據的讀取成為可能。
此外，通過對雷射寫入參數編碼，可以實現對數據點顏色和強度的獨立操控，從而將其作為新的信息復用通道，進而實現多維數據的存儲。
另據悉，超快雷射誘導微相變光存儲具有諸多優異的性能。例如，由於雷射誘導的微相變區域尺寸相對較小，因此在直寫加工條件之下，數據點直徑可以降至 500nm，這樣一來單盤存儲容量可以達到 TB 級。如果引入超分辨的加工策略，這些指標還能夠進一步提升。
更重要的是，在全無機介質的包裹和保護下，微相變結構具有極高的穩定性，保存的信息可以承受多種極端環境，比如能承受 42T 的強磁場、700℃ 的高溫、60% HNO3 的強酸、以及 50kGy 的 X 射線等，而這些都是傳統存儲技術所無法承受的。
研究中的加速老化實驗數據顯示，當在室溫之下使用這種存儲方案，數據存儲壽命長達 1.4×1013 年，能夠實現對於超大規模數據的低能耗永久保存。
總的來說，本工作所提出的超快雷射誘導鈮酸鋰晶體微相變基質、及其在三維空間中實現像素級結構色的策略，有望開闢全新的研究方向，對於三維彩色顯示、先進信息加密和高效多維數據存儲等領域的發展具有長遠意義。
而這種超快雷射選擇性誘導單晶微相變光存儲方案，之所以有望用於大規模數據的長效存儲，主要依賴於以下三點：
其一，存儲基質標準化。鈮酸鋰晶體集多種光電性能於一體，被稱為光量子時代的「光學矽」，此前已被廣泛用於微納光子學和集成光子學等領域。因此，本次方案可以被集成於各種成熟光學系統之中。
其二，讀寫裝置簡單。得益於超快雷射的脈衝內耦合材料修飾機制和基於結構色的信號讀取原理，當使用本方案時，不僅數據寫入快速簡單，不依賴複雜光學系統，而且不需要藉助任何複雜光學分析探測，即可實現數據高效面讀取。
其三，本次方案的存儲綜合性能優異，存儲容量、存儲壽命、數據讀寫速度、器件穩定性等指標在同類技術中均處於領先水平。
圖 | 多維光存儲應用（來源：Advanced Materials）
同時，得益於超快雷射直寫的高度靈活性，通過設計雷射寫入參數，就可以獨立地操控微相變區域結構特徵，從而自由地在三維空間中直寫各種彩色像素，以及精細操控各個像素的顏色，藉此實現圖案列印的定製化、以及彩色圖像色調的選擇性調諧。
除平面圖案之外，還能實現晶體基質內的三維彩色圖案化列印與顯示。由於各個像素之間完全獨立，因此可以在三維空間中的任何位置實現色彩特徵的良好控制。
此外，利用晶體色偏振的波長選擇性，本次方案還可用於多級信息加密和先進光學防偽等領域。
如何掌控信息時代的「石油」？
在網際網路時代，幾乎每一位智慧型手機用戶每天都在和數據打交道。大數據被稱為信息時代的「石油」，是新時代重要的戰略資源，對大數據的掌控能力已成為保障國家競爭新優勢的基礎。
近年來，隨著人工智慧、物聯網等技術的發展，人類社會產生的數據總量呈指數爆炸式增長。根據國際數據公司（International Data Corporation，IDC）統計，2020 年全球產生 64ZB 數據（1ZB=1012GB），預計到 2025 年全球數據總量將達到 175ZB。
存儲如此龐大的數據需要消耗巨大能量，數據中心服務商 Supermicro 發布的報告指出現代數據中心能耗將突破全球發電總量的 8%。
另據悉，我國 2020 年數據中心耗電量就已突破 2000 億千瓦時，相當於兩個三峽電站的年發電量，並且數據中心耗電量仍以每年百分之十以上的速度增長，長此以往將引發全球性能源和環境危機，有違國家「碳達峰、碳中和」的發展目標。
同時，現有數據中心主要依賴磁存儲和半導體存儲，在面對如此大規模數據保存時，存在可靠性差、壽命短、存儲密度低等問題，需要頻繁進行數據遷移以保證存儲數據的安全準確，這進一步加大了能源消耗和資源浪費。
因此，迫切需要研發新一代大數據存儲方案，以實現海量數據的高密度、低能耗和超長壽命保存。
基於超快雷射在無機透明介質內部刻寫微納結構的光存儲方案，具有存儲容量大、穩定性高、壽命長等優勢，為大規模數據長期保存提供了絕佳的解決方案，例如稀土離子摻雜玻璃螢光存儲和石英玻璃納米光柵存儲。
然而，由於無機透明介質固有高損傷閾值的限制，這類存儲技術普遍需要多脈衝聯合作用和較高的雷射功率，寫入速度較慢。
同時，當進行數據提取的時候，往往依賴複雜光學系統和成像算法，讀取效率亦受到限制。此外，存儲介質均勻性不足、讀取設備昂貴等問題也嚴重製約了這類技術的推廣和大規模應用。
圖 | 全新的光存儲機制（來源：Advanced Materials）
從被雷射「打壞」的廢樣品說起
事實上，課題組原本研究的是鈮酸鋰內部的超快雷射加工，偶然一次因為操作失誤，他們在被雷射「打壞」的廢樣品中，發現晶體內部產生了「三維彩色像素點」。
當時，他們只覺得這個現象非常有趣，並不了解其內在機理。出於對這一現象的好奇，該團隊開始逐步揭示了現象背後的奧秘，最終實現了美輪美奐的彩色圖像三維顯示，也實現了能被精確調控光存儲器件。
具體來說，他們先是發現了超快雷射與物質相互作用過程中的脈衝內耦合材料修飾機制。
在晶體雙折射效應的作用之下，入射的單個超快雷射脈衝，會分裂為傳播速度不同的兩個脈衝，它們會先後對焦點區域進行修飾、誘導微納結構。
這種機制的好處在於，它能極大提升輻照區域材料對於超快雷射的非線性吸收率，從而最大程度地利用單脈衝能量。
在脈衝內耦合機制的幫助下，僅通過單個 nJ 級超快脈衝，即可誘導用於信息記錄的微相變結構，從而實現高速、低能耗的數據寫入。
實驗表明，所產生的微相變結構本質是一種局部非晶化修飾。簡單來說，就是在晶體中刻入了由玻璃構成的數據點。
玻璃和晶體是物質的兩種形態，它們具有截然不同的光學性質，在晶體中嵌入玻璃，可以對在鈮酸鋰晶體中傳播的複色光進行顯著的局部相位調製。
通過大量實驗和調試，課題組對調製微相變結構色的方式進行探索，以便精確地使用超快雷射調控微相變結構特徵，進而以靈活獨立的方式來操控寫入像素的顏色和強度。
這樣一來，就能夠復用結構色信號的顏色和強度，從而實現多維信息的寫入與提取。
在歸納實驗結果的時候，為了形成系統化的微相變多維光存儲方案，研究人員專門和產業界的工程師、以及國外同行進行交流，以便把科研成果和產業需求聯繫起來。
最終，相關論文以《鈮酸鋰晶體中體素級結構顏色的三維列印》（3D Imprinting of Voxel‐Level Structural Colors in Lithium Niobate Crystal）為題發在 Advanced Materials[1]。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
浙江大學博士生王卓和助理研究員張博為論文第一作者，張博、以及之江實驗室譚德志研究員、浙江大學邱建榮教授擔任共同通訊作者。
圖 | 張博（來源：張博）
未來，他們將專注於研究超快雷射刻寫無機透明介質光存儲，通過開發高速光調製技術和新型光存儲介質，大幅提升數據寫入效率與信息集成度。
同時，也將致力於研發更加穩定的光存儲數據讀寫裝置，推進超快雷射直寫鈮酸鋰單晶微相變光存儲的實用化。
參考資料：
1.Wang, Z., Zhang, B., Wang, Z., Zhang, J., Kazansky, P. G., Tan, D., & Qiu, J. (2023). 3D Imprinting of Voxel‐Level Structural Colors in Lithium Niobate Crystal.Advanced Materials, 2303256.
運營/排版：何晨龍