Banebrydende nyt: Hvordan manipulation af diamantens ‘farvecentre’ kan transformere datalagring?

Farvecentre i diamanter er noget, som forskere og det videnskabelige samfund har været meget interesseret i for nylig. Før vi dykker dybere ned i, hvordan de kan hjælpe med at imødekomme vores voksende lagringsbehov, lad os få en hurtig forståelse af, hvad disse farvecentre i diamanter er. 

Hvad er farvecentre?

Farvecentre er defekter inden for bindingsstrukturen i et materiale. Bindingerne, i dette tilfælde, refererer til den langvarige tiltrækning mellem atomer eller ioner inden for et molekyle. Kraften, der binder atomerne eller ionerne, kan være elektrostatiske kræfter mellem modsat ladede ioner. Den kan også stamme fra deling af elektroner. 

Defekterne inden for bindingsstrukturen kan manifestere sig i forskellige former, såsom huller, excitoner, vakuum eller urenheder. Excitoner er blot elektroner fanget i exciterede tilstande.  

Farvecentre eksisterer som lokaliserede punkter i materialet, hvor bindingsstrukturerne er ændret. Dannelse af farvecentre resulterer i en ændring af materialets molare brydningsindeks. Men i tilfældet med diamanter viser farvecentre sig nyttige for kvanteapplikationer. 

Endnu vigtigere har det videnskabelige samfund undersøgt farvecentre i de seneste år for deres forbedrede optiske egenskaber. De fandt, at nitrogen‑vakuumcentret er særligt nyttigt på grund af sin høje spin‑grundtilstand med gunstig spin‑kohærens tid fra kryogen til stuetemperatur. 

For nylig har fysikerne ved City College of New York (CCNY) kommet op med en teknik, der potentielt kan styrke og udvide datalagringskapaciteten i diamanter. 

Klik her for listen over de bedste cloud computing-virksomheder.

Optisk datalagringsgennembrud: Farvecentre i diamanter og et videnskabeligt gennembrud

Forskningen, med titlen “Reversible Optical Data Storage (DTST ) below the Diffraction Limit,” fokuserer på teknologien med multiplexing af lagring i det spektrale domæne. Det indebærer muligheden for at lagre mange forskellige billeder på samme sted i diamanten. Alt, der kræves, er brugen af en laser med en marginalt anderledes farve. Følgelig vil dette resultere i lagring af forskellig information i forskellige atomer, der deler det samme mikroskopiske punkt. 

Ifølge Tom Delord, postdoktoral forskningsassistent ved CCNY, er metoden i stand til at finde vej “til computerapplikationer”, der kræver “højkapacitetslagring”.

For at opnå det, de hidtil har gjort, måtte forskerne ved CCNY kontrollere den elektriske ladning af farvecentrene. De opnåede dette ved at bruge en smalbåndslaser og kryogene forhold meget præcist. Det er relevant at nævne, at kryogenik er den videnskabelige studie af materialer og deres opførsel ved ekstremt lave temperaturer. 

Ifølge forskerne hjalp metoden dem:

Skriv og læs små databit på et meget finere niveau end tidligere muligt, ned til et enkelt atom. 

Hvorfor er gennembruddet vigtigt?

I bund og grund viser forskningen os vejen til at lagre mere data i et begrænset rum. Dette er stadig vigtigere, da forskningen og relaterede udviklinger er yderst afgørende for vores tid. Hastigheden af disse udviklinger understreges af, at mængden af data, vi skal lagre, er steget eksponentielt hver dag.

I kontekst, ifølge den seneste forskning, er der 64 zettabyte data i verden udelukkende i digital form, hvor en zettabyte svarer til en billion gigabyte. Bemærkelsesværdigt blev 90 % af verdens data skabt i de sidste to år. Det anslås, at inden 2025 vil den globale datamængde stige til mellem 150-175 zettabyte, hvor IoT-enheder alene er ansvarlige for 90 zettabyte af disse data.

Givet denne enorme stigning i dataskabelse kan løsningen, der er udviklet ved at manipulere diamantfarvecentre, hjælpe med at lagre mere data uden ekstra indsats, hvilket resulterer i en betydelig udvidelse af den fysiske lagringsplads. Denne fremgang er rettidig, i betragtning af det stigende behov for betydelig fysisk lagringsplads i forskellige sektorer.

For eksempel er Facebook ansvarlig for at generere 4 petabyte data pr. dag, hvor 1 petabyte svarer til 1 million gigabyte data. For at understøtte dette ejer og driver Facebook 18 datacentre globalt, der omfatter 40 millioner kvadratfod plads. Alligevel er Facebook kun én af de teknologigiganter, der kæmper med massive datamængder. Google‑søgemaskinen behandler 3,5 milliarder forespørgsler dagligt, WhatsApp‑brugere udveksler over 65 milliarder beskeder pr. dag, og internetbrugere verden over genererer næsten 2,5 kvintillion bytes data hver dag. Dette understreger en vedvarende efterspørgsel efter lagring, lagring og mere lagring.

Uden tvivl vil CCNY‑informationerne med diamantfarvecentre være banebrydende, når de skaleres op. 

Tidligere forskning om germanium‑vakuum enkelt‑farvecentre i diamant

Lignende forskning blev udført på diamantfarvecentre tidligere også. Forskning offentliggjort i 2015, for eksempel, hjalp med at forstå de atomstørrelses fluorescerende defekter i diamanter som en lovende solid‑state platform for kvantekryptografi og kvanteinformationsbehandling, og tjente som et grundlæggende skridt for efterfølgende studier på dette område.

Forskningen testede gennemførligheden af at bruge enkelt‑fotonkilder med høj intensitet og reproducerbare fremstillingsmetoder til dette formål. Forskningsholdet bemærkede et nyt farvecenter i diamant, sammensat af germanium og et vakuum, som forskerne kaldte GeV‑centret. 

En anden forskning, offentliggjort i 2022, udført af forskere ved Saga University og Adamant Namiki Precision Jewelry, førte til udviklingen af en ny metode til fremstilling af ultrahøj‑renhed diamant wafere. Disse diamant wafere måler 5 cm i diameter. 

Med deres datatæthed kan disse wafere lagre det tilsvarende af en milliard Blu‑ray‑diske. For at sætte dette i perspektiv kan en typisk Blu‑ray‑disk lagre op til 25 GB data. Derfor vil en milliard Blu‑ray‑diske svare til en svimlende 25 exabyte data. I opnåelsen af dette resultat anvendte forskningen et nitrogen‑vakuumcenter til at lagre data i form af superledende kvantebits (qubits).

Mere om Adamant Namiki Precision Jewelry eller Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry ændrede sit navn til Orbray Co., Ltd., gældende fra 1. januar 2023. Virksomheden har et omfattende sortiment af produkter, herunder præcisionssmykker, fiberoptiske komponenter og små motorer. Efter anvendelse betjener virksomheden felter inden for informationskommunikation, halvledere, industrielle maskiner, robotter, biler, optiske drivningsenheder, lydproduktion og meget mere. 

Grundlagt i 1939 og med hovedkontor i Tokyo, Japan, er Orbray en privat ejet virksomhed. 

Virksomheder, der arbejder med diamant‑wafer‑teknologi

Mens Orbray er kendt for at fremstille diamant wafere specifikt til lagring, er der få andre i branchen, der har udviklet en sammenlignelig lagringsløsning. Det er dog bemærkelsesværdigt, at mange andre virksomheder producerer diamant wafere til forskellige andre formål. Dette fortjener opmærksomhed, da disse virksomheder også kan udvide til lagringsløsninger i den nærmeste fremtid, givet deres eksisterende viden om den grundlæggende teknologi.

#1. Stanford Advanced Materials

En anden virksomhed, der er kendt for at fremstille diamant wafere, er Stanford Advanced Materials. De tilbyder et produkt kendt som CVD Diamond Wafer, bemærket for sine højkvalitets optiske og termiske egenskaber. Desuden hævder de, at disse diamant wafere har fremragende fysiske og kemiske egenskaber. Bemærkelsesværdigt har de en næsten kontinuerlig bølge af optisk gennemsigtighed fra UV til THz, hvilket gør dem kompatible med flere bølgelængdeområder, herunder røntgen, ultraviolet, infrarød, mikrobølge og mere.

CVD diamant wafere har mange egenskaber, der er næsten umulige at opnå for generelle optiske materialer. For eksempel er de i stand til at spille afgørende roller i høj energi input, lav dielektrisk tab, høj Raman‑forstærkning, lav stråleforvrængning, erosion‑modstand og andre aspekter. 

Stanford’s CVD diamant wafere betjener mange industrier, herunder luftfart, militær og andre. De er yderst effektive i termisk styring, især i høj effekt, høj frekvens, miniaturiserede og stærkt integrerede elektroniske komponenter. 

Med hovedkontor i Lake Forest, Californien, USA, har Stanford Advanced Materials været i drift siden 1994 og er en privat ejet virksomhed. 

#2. AKHAN Semiconductors

En anden halvledervirksomhed, der klarer sig meget godt i fremstillingen af diamant wafere, er Akhan Semiconductors. I 2021 fremstillede de de første 300 mm komplementære metal‑oxid‑semiconductor (CMOS) diamant wafere. Teknologien blev primært udviklet for at forbedre strømstyring, varmehåndtering og holdbarhed af elektronik. Den henvender sig dog til en række industrier og fremstillingsprocesser. Ifølge administrerende direktør for Akhan Semiconductor, Adam Khan, vil Akhan’s diamond wafers hjælpe med at bygge mere kraftfulde og holdbare enheder. 

Med hovedkontor i Illinois, USA, er Akhan Semiconductor en privat ejet virksomhed, der blev grundlagt i 2012. Ifølge de seneste tilgængelige nyheder rejste virksomheden US$20 millioner den 17. februar 2022. 

Andre datalagringsløsninger

Selvom udforskning af farvecentre i diamanter uden tvivl er en banebrydende innovation inden for datalagring, er løsningen endnu ikke skaleret. 

En teknologisk gigant, der konstant eksperimenterer med nye og forbedrede datalagringsteknologier, er Intel (INTC ). De har flere innovative lagringsteknologier at tilbyde. 

#1. Intel Storage Technologies 

Deres Optane Technology, for eksempel, hjælper med at fjerne flaskehalse i datacenterlagring, så brugerne kan håndtere større, mere overkommelige datasæt. Deres 3D NAND-teknologiprodukter er kendt for deres kapacitet og pålidelighed. Deres EDSFF SSD-løsninger hjælper med at opnå forbedret kapacitet til lavere omkostninger. 

Intel’s 2022 revenue var $63,1 milliarder, ned $16,0 milliarder, eller 20 %, fra 2021. Virksomheden investerede $17,5 milliarder i F&U, foretog kapitalinvesteringer på $24,8 milliarder og genererede $15,4 milliarder i kontanter fra driften og $(4,1) milliarder i justeret fri cash flow.

#2. Seagate

Seagate er en anden pioner inden for datalagring, der for nylig har introduceret en betydelig innovation. Deres seneste tilbud er det højtydende, effektive og holdbare multi‑petabyte kapacitets bloklagringssystem kendt som Exos® CORVAULT™. Systemets høj‑densitet funktioner sikrer optimal pladsudnyttelse, forlænget levetid og reduceret energiforbrug pr. petabyte. 

Derudover bidrager det til at sænke datacenterets CO₂‑aftryk ved at kræve færre computer‑ og netværksressourcer. Løsningen er i øjeblikket tilgængelig i to varianter: den første variant tilbyder op til 2,5 PB lagring i 1,2‑meter rack, mens den anden giver 1,5 PB for 1,0‑meter dybe rack.

For regnskabsåret, der sluttede den 30. juni 2023, registrerede Seagate en omsætning på mere end US$7,3 milliarder, hvilket var betydeligt mindre end årets foregående omsætning på mere end US$11,5 milliarder.

Fremtidig forskning i diamantfarvecentre

Der foregår meget forskning for at udforske og forstå diamantfarvecentre bedre. Forskerne er motiverede af mange grunde, især fordi farvecentrene udviser forbedrede optiske egenskaber med hensyn til spektral stabilitet, bølgelængde og spin‑egenskaber. Selvom diamant generelt er rig på optiske centre, forbliver den præcise oprindelse af disse centre ofte ukendt. Det forventes, at fremtidig forskning uden tvivl vil give yderligere indsigt. 

Diamant wafere har været et betydeligt gennembrud for lagring af store datamængder. Og det er et område, hvor der i øjeblikket udføres meget forskning. At kende diamant wafere bedre vil uden tvivl hjælpe med at forbedre deres egenskaber som lagringssystemer. 

Selvom til at drive næste generations halvledere har forskere ved Japans Chiba University udviklet en metode, der bruger lasere til at fremstille diamant wafere. Ifølge Hirofumi Hidai, professor ved Chiba University School of Engineering:

Diamantskæring muliggør produktion af høj‑kvalitets wafere til lav pris og er uundværlig for fremstilling af halvleder‑enheder. 

Denne nyudviklede metode er vigtig af grunde, der går ud over diamantens anvendelse som halvleder. Den hjælper med at udvikle mekanismer til at kontrollere dannelsen af revner gennem diamanter, så de kan vokse langs et ønsket plan. 

I april i år indgik Amazon Web Services et samarbejde med De Beers‑datterselskab Element Six for at udvikle syntetiske diamanter, som vil blive brugt i kvante‑nøgle‑distribution. Det, der skiller sig ud i dette partnerskab, er deres metode, som involverer at skabe farvecentre i en diamant. Disse farvecentre vil absorbere fotoner, der indeholder kvanteinformation, for senere at udsende dem igen. 

Ifølge Antia Lamas‑Linares, som leder AWS Center for Quantum Networking:

Vi [Amazon] kan allerede gøre nogle ting på relativt små skalaer, men for virkelig at tage det til en global skala – AWS er en global virksomhed – er der nogle få ting, der skal udvikles.

Afslutningsvis vil verden se mere forskning, der sigter mod at udnytte diamantfarvecentre. Ikke alle vil hjælpe med at forbedre datalagring, men mange vil. Data er brændstoffet, som vores moderne verden kører på. Det er ganske naturligt, at førende virksomheder vil investere mere i fremtiden i løsninger, der hjælper med at løse de eksponentielt voksende lagringsbehov.