数据储存的追光之旅——记暨南大学光子技术研究院研究员李向平及其团队

徐芳芳

专注于光存储测试研究的李向平

2018年，诺贝尔物理学奖授予来自美国、法国和加拿大的3位科学家，以表彰他们在激光物理学领域的突破性发明，诺贝尔奖再次花落光学领域。

光学，作为一门有着悠久历史的学科，其研究进步时常会引发科学的巨大革命。它的神奇魅力指引着千千万万科研学者投身其中。

对于暨南大学光子技术研究院研究员李向平来说，光学既是指路标，也是瞭望塔。从投入科学研究至今，李向平已经在光学研究的道路上勤勤恳恳走了10多年，也收获了累累硕果。他长期致力于纳米光学、光场调控、超分辨及多维光存储技术等领域的研究。近几年来，李向平团队的相关研究成果先后发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）及《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）等国际权威期刊上，这也是暨南大学建校以来发表的首篇Nature Photonics和首篇Nature Nanotechnology论文。这些从无到有的成绩，是他们一步一个脚印踏出的平坦大路。而在大大小小的闪光背后，始终不变的是李向平当年对光学专业坚定的研究初心。

随着大数据时代的到来，人们随时都在处理和存储数据，每2年翻一番的增长速度，也给现有以硬盘磁存储技术为基础的大数据中心带来了容量和能耗上的巨大挑战。彼时，刚刚博士毕业的李向平敏锐地意识到以抗电磁干扰、绿色节能优势著称的光存储技术的机遇来了。他的判断很快得到了Facebook和微软等产业巨头的验证。“尽管光存储技术绿色节能，但受到衍射极限的限制，光存储容量低，还远远不能满足大数据存储的需求，亟待技术突破。”李向平表示。为了突破现有光盘读写密度的限制，在导师顾敏院士带领下，他基于2014年诺贝尔化学奖斯特凡·黑尔教授发明成果的受激荧光发射（STED）成功开发了超分辨光存储技术，其原理验证实验可以提高蓝光存储技术的4万倍！该专利技术迅速被Facebook大数据存储部发掘，并独家授权Optical Archive Inc。随即，微软公司也启动了Project Silica项目，致力于攻克面向大数据应用的大容量长寿命光存储技术。

万里长征第一步

2015年回国后，李向平清晰认识到需要系统研究相应的超分辨读介质并开发超分辨读写技术。尤其受激荧光发射超分辨光存储技术原理依赖抑制光束在高光强下对荧光发射的饱和抑制效应，超越衍射极限的读写分辨率是以牺牲光的能耗为代价。降低超分辨读写抑制光能耗成为该技术进一步实用亟待解决的问题。

为了解开相关难题，李向平团队与上海理工大学和新加坡国立大学合作，基于此前科研人员在上转换发光探针的研究基础上再度创新，克服了STED显微镜在抑制光功率上的种种限制，设计出掺杂钕元素的下转移镧系纳米颗粒，从而发展了下转移镧系全近红外超分辨成像技术。

这种技术是利用掺杂钕（Nd）元素的纳米颗粒作为荧光探针，从而开发出了一种新的发光镧系元素纳米探针。团队通过对Nd元素的下转移纳米颗粒进行“改造”设计，使得亚稳态能级荧光辐射速率变慢，具有了长荧光寿命；粒子数反转现象得到明显提升，并降低了饱和光强3个数量级以上；在掺杂Nd元素后，发射体的下转移荧光量子效率显著提升，且无光漂白现象，分辨率可达亚20纳米。对这种镧系纳米探针，李向平寄予厚望，认为其有望解决超分辨光存储中的高分辨数据读写，不仅能够降低超分辨读写光强，而且有效解决了荧光分子漂泊和深层读写的难题，使得超分辨读写技术真正走向实用性迈出了重要的一步。

2021年6月14日，这一突破性成果以“通过使用下转换镧系纳米颗粒在连续波近红外实现STED显微镜”为题刊登在了国际著名期刊《自然·纳米技术》上。

虽然研究收获不错的成绩，但李向平及其团队依然没有停下前进的脚步，在他看来，此时的研究也只能算是走出万里长征第一步。未来的旅程，他会继续带领团队破浪而行，而迎接他们的不仅仅是光的希望，还有“浩瀚宇宙”。

站在光储存研究浪潮前沿

机遇更喜欢垂青有准备的人，李向平及其团队在超分辨成像上的突破为他们进一步开拓创新奠定了坚实的基础。经过团队在领域内的深耕和艰辛付出，2021年10月14日，李向平团队的六维信息复用成果刊登在国际著名期刊《自然·光子学》上，迎来了属于光学研究“新的浩瀚宇宙”。

所谓的光存储，并不是简单地把光给存储起来，而是激光器发出一束激光，当激光遇到存储材料时会发生物理或者化学反应，性质发生变化的位置点被视为二进制数中的“1”；而激光没有经过的地方，材料的特性保持不变，这些位置点被视为二进制数中的“0”。当完成记录后，光盘上就留下一串串的二进制数0011010101，这样就能成功地把数据刻录在光盘上。

光存储研究团队成员

通常情况下，光存储是“一个萝卜一个坑”的一维存储，也就是说一个位置点上只能存储一个值，优点是简单明了，但缺点是容量非常有限。针对这一问题，李向平团队另辟蹊径，提出利用光子携带轨道角动量（OAM）、波长和偏振等物理维度作为信息复用新通道的想法。经过团队详细分析论证和坚持不懈的努力，他们有了新发现，巧妙利用纳米颗粒之间的电磁耦合作用，使其同时具有轨道角动量、偏振、波长的多维光敏响应，并率先开发了世界首例六维光信息复用技术，即信息可以存储在轨道角动量、波长、偏振和三维空间等物理维度，成功实现了“六个萝卜一个坑”，大大提升了存储数据的能力以及数据的安全性。

从超分辨读写技术的突破到六维复用所获得的进展，无论何时何地，李向平团队在科研中总是冲锋在前。他们善于布局，也乐于创新，正是这样的一支团队，站在了光储存研究的浪潮前沿。直到现在，以李向平为带头人的海外青年团队，一直都是纳米光子存储技术的世界密度纪录的保持者。

要继续点亮光存储科技的未来，仅靠一个人的火光之力必然太微弱，但千千万万个火种聚在一起，光存储技术便可走得更远。作为团队的领头人，李向平在为科研上的收获欢欣鼓舞的同时，也没有忘记将收获之喜传递下去。

“把学生培养好，是我接下来最重要也是最想做的事。”如李向平所说，培养出越来越多的合格的光学研究者，学科才能更好地开枝散叶，“要让学生学会发现问题，学会分析问题，动手解决问题，更要科学地归纳总结。”在李向平看来，具备这几个能力，科研之路就会越走越远，越走越稳。

如今，李向平仍然每天乐此不疲地忙碌着。在他看来，能够用一己之专长做些实事就是自己最大的收获。他深知：科研成果的诞生需要天时、地利、人和，展望未来，李向平相信团队的下一个“惊喜”很快就会到来。