Neues Terrain betreten: Wie die Manipulation von Farbzentrums in Diamanten die Datenspeicherung transformieren könnte?

Farbzentren in Diamanten sind etwas, für das Forscher und die wissenschaftliche Gemeinschaft in der jüngeren Vergangenheit starkes Interesse gezeigt haben. Bevor wir tiefer darauf eingehen, wie sie helfen könnten, unseren wachsenden Speicherbedarf zu decken, lassen Sie uns ein kurzes Verständnis dafür bekommen, was diese Farbzentren in Diamanten sind. 

Was sind Farbzentren?

Farbzentren sind Defekte innerhalb der Bindungsstruktur eines Materials. Die Bindungen implizieren in diesem Fall die langanhaltende Anziehung zwischen Atomen oder Ionen innerhalb eines Moleküls. Die Kraft, die die Atome oder Ionen bindet, kann elektrostatische Kräfte zwischen gegensätzlich geladenen Ionen sein. Sie kann auch aus der gemeinsamen Nutzung von Elektronen stammen. 

Die Defekte innerhalb der Bindungsstruktur können sich in verschiedenen Formen manifestieren, wie Löcher, Exzitonen, Vakanzstellen oder Verunreinigungen. Exzitonen sind nichts anderes als Elektronen, die in angeregten Zuständen feststecken.  

Farbzentren existieren als lokalisierte Punkte im Material, wo sich die Bindungsstrukturen verändert haben. Die Entstehung von Farbzentren führt zu einer Änderung der molaren Brechungszahl des Materials. Bei Diamanten erweisen sich die Farbzentren jedoch als nützlich für Quantenanwendungen. 

Wichtigerweise hat die wissenschaftliche Gemeinschaft untersucht Farbzentren in den letzten Jahren wegen ihrer verbesserten optischen Eigenschaften. Sie fanden das Stickstoff‑Vakanz‑Zentrum besonders nützlich wegen seines hohen Spin‑Grundzustands mit günstiger Spin‑Kohärenzzeit von kryogen bis Raumtemperatur. 

Kürzlich haben die Physiker am City College of New York (CCNY) eine Technik entwickelt, die das Daten­speichervolumen in Diamanten potenziell stärken und erweitern kann. 

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Durchbruch bei der optischen Datenspeicherung: Farbzentren in Diamanten und ein wissenschaftlicher Durchbruch

Die Forschung, betitelt „Reversible Optical Data Storage (DTST ) below the Diffraction Limit“, dreht sich um die Technologie des Multiplexens der Speicherung im spektralen Bereich. Sie impliziert die Möglichkeit, viele verschiedene Bilder am selben Ort im Diamanten zu speichern. Alles, was dafür nötig ist, ist die Verwendung eines Lasers mit einer leicht unterschiedlichen Farbe. Folglich würde dies die Speicherung verschiedener Informationen in unterschiedlichen Atomen ermöglichen, die denselben mikroskopischen Punkt teilen. 

Laut Tom Delord, einem Postdoktoranden am CCNY, ist die Methode in der Lage, ihren Weg zu „Computinganwendungen“ zu finden, die „Speicher mit hoher Kapazität“ erfordern.

Um das bisher Erreichte zu erzielen, mussten die Wissenschaftler am CCNY die elektrische Ladung der Farbzentren kontrollieren. Sie erreichten dies, indem sie einen schmalbandigen Laser und kryogene Bedingungen sehr präzise einsetzten. Es ist hier angebracht zu erwähnen, dass Kryotechnik das wissenschaftliche Studium von Materialien und ihrem Verhalten bei extrem niedrigen Temperaturen ist. 

Laut den Forschern half die Methode ihnen dabei:

„Schreiben und lesen winziger Datenbits auf einem viel feineren Niveau als bisher möglich, bis hin zu einem einzelnen Atom.“ 

Warum ist der Durchbruch wichtig?

Im Wesentlichen zeigt uns die Forschung, wie man mehr Daten in einem begrenzten Raum speichern kann. Das wird zunehmend wichtig, da die Forschung und verwandte Entwicklungen für unsere heutige Zeit von hoher Bedeutung sind. Die Dringlichkeit dieser Entwicklungen wird durch die Tatsache unterstrichen, dass das Datenvolumen, das wir speichern müssen, täglich exponentiell wächst.

Im Kontext, laut der neuesten Forschung, gibt es 64 Zettabyte Daten in der Welt, ausschließlich in digitaler Form, wobei ein Zettabyte einer Billion Gigabyte entspricht. Bemerkenswerterweise wurden 90 % der weltweiten Daten in den letzten zwei Jahren erstellt. Es wird geschätzt, dass das globale Datenvolumen bis 2025 auf etwa 150‑175 Zettabyte ansteigen wird, wobei IoT‑Geräte allein für 90 Zettabyte dieser Daten verantwortlich sind.

Angesichts dieses erstaunlichen Anstiegs der Datenerstellung kann die durch die Manipulation von Diamant‑Farbzentren entwickelte Lösung helfen, mehr Daten ohne zusätzlichen Aufwand zu speichern, was zu einer erheblichen Erweiterung des physischen Speicherplatzes führt. Dieser Fortschritt ist rechtzeitig, angesichts des wachsenden Bedarfs an erheblichem physischem Speicherplatz in verschiedenen Sektoren.

Zum Beispiel ist Facebook dafür verantwortlich, täglich 4 Petabyte Daten zu erzeugen, wobei 1 Petabyte 1 Million Gigabyte Daten entspricht. Um dies zu unterstützen, besitzt und betreibt Facebook weltweit 18 Rechenzentren mit einer Fläche von 40 Millionen Quadratfuß. Dennoch ist Facebook nur einer der Technologieriesen, die mit enormen Datenmengen zu kämpfen haben. Die Google‑Suchmaschine verarbeitet täglich 3,5 Milliarden Anfragen, WhatsApp‑Nutzer tauschen über 65 Milliarden Nachrichten pro Tag aus, und Internetnutzer weltweit erzeugen fast 2,5 Quintillionen Bytes Daten jeden Tag. Dies unterstreicht die unaufhörliche Nachfrage nach Speicher, Speicher und noch mehr Speicher.

Zweifellos wäre die CCNY‑Information mit Diamant‑Farbzentren ein Wendepunkt, wenn sie in großem Maßstab umgesetzt wird. 

Frühere Forschung zu germanium‑vakanten Einzel‑Farbzentren in Diamanten

Ähnliche Forschungen zu Diamant‑Farbzentren wurden ebenfalls bereits früher durchgeführt. Die 2015 veröffentlichte Forschung half beispielsweise, die atomgroßen fluoreszierenden Defekte in Diamanten als vielversprechende Festkörperplattform für Quantenkryptografie und Quanteninformationsverarbeitung zu verstehen und bildete einen grundlegenden Schritt für nachfolgende Studien in diesem Bereich.

Die Forschung prüfte die Machbarkeit der Nutzung von Einzelphotonenquellen mit hoher Intensität und reproduzierbaren Fertigungsverfahren für diesen Zweck. Sie bemerkte ein neuartiges Farbzentrum in Diamanten, bestehend aus Germanium und einer Vakanz, das die Forscher GeV‑Zentrum nannten. 

Eine weitere Forschung, veröffentlicht 2022, durchgeführt von Forschern der Saga University und Adamant Namiki Precision Jewelry, führte zur Entwicklung einer neuen Methode zur Herstellung von ultrahochreinen Diamant‑Wafern. Diese Diamant‑Wafer haben einen Durchmesser von 5 cm. 

Mit ihrer Datendichte können diese Wafer das Äquivalent von einer Milliarde Blu‑Ray‑Discs speichern. Zum Vergleich kann ein typischer Blu‑Ray‑Disc bis zu 25 GB Daten speichern. Daher würde eine Milliarde Blu‑Ray‑Discs erstaunliche 25 Exabyte Daten entsprechen. Um diese Leistung zu erreichen, nutzte die Forschung ein Stickstoff‑Vakanz‑Zentrum, um Daten in Form von supraleitenden Quantenbits (Qubits) zu speichern.

Mehr zu Adamant Namiki Precision Jewelry oder Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry änderte seinen Namen zu Orbray Co., Ltd., wirksam ab dem 1. Januar 2023. Das Unternehmen bietet ein umfangreiches Produktsortiment, darunter Präzisionsschmuck, faseroptische Komponenten und kleine Motoren. Anwendungsseitig bedient das Unternehmen die Bereiche Informationskommunikation, Halbleiter, Industriemaschinen, Roboter, Automobile, optische Antriebsvorrichtungen, Audioproduktion und vieles mehr. 

Gegründet 1939 und mit Sitz in Tokio, Japan, ist Orbray ein privat gehaltenes Unternehmen. 

Unternehmen, die an der Diamant‑Wafer‑Technologie arbeiten

Während Orbray für die Herstellung von Diamant‑Wafern speziell für die Speicherung bekannt ist, gibt es nur wenige andere Unternehmen in der Branche, die eine vergleichbare Speicherlösung entwickelt haben. Dennoch ist bemerkenswert, dass viele andere Unternehmen Diamant‑Wafer für verschiedene andere Zwecke produzieren. Dies verdient Aufmerksamkeit, da diese Unternehmen in naher Zukunft aufgrund ihres bestehenden Wissens über die Grundtechnologie ebenfalls in Speicherlösungen einsteigen könnten.

#1. Stanford Advanced Materials

Ein weiteres Unternehmen, das für die Herstellung von Diamant‑Wafern bekannt ist, ist Stanford Advanced Materials. Sie bieten ein Produkt namens CVD Diamond Wafer an, das für seine hochwertigen optischen und thermischen Eigenschaften bekannt ist. Darüber hinaus behaupten sie, dass diese Diamant‑Wafer ausgezeichnete physikalische und chemische Eigenschaften besitzen. Besonders hervorzuheben ist ein nahezu durchgängiges Band optischer Transparenz von UV bis THz, das sie mit mehreren Wellenlängenbereichen, einschließlich Röntgen, Ultraviolett, Infrarot, Mikrowelle und mehr, kompatibel macht.

CVD diamond wafers besitzen viele Eigenschaften, die für allgemeine optische Materialien fast unmöglich zu erreichen sind. Zum Beispiel können sie entscheidende Rollen bei hoher Energiezufuhr, geringem Dielektrikverlust, hohem Raman‑Verstärkung, geringer Strahlverzerrung, Erosionsbeständigkeit und weiteren Aspekten spielen. 

Stanfords CVD‑Diamant‑Wafer bedienen viele Branchen, darunter Luft‑ und Raumfahrt, Militär und andere. Sie sind besonders effizient im thermischen Management, insbesondere bei Hochleistungs‑, Hochfrequenz‑, miniaturisierten und stark integrierten elektronischen Bauteilen. 

Mit Sitz in Lake Forest, Kalifornien, USA, ist Stanford Advanced Materials seit 1994 tätig und ein privat gehaltenes Unternehmen. 

#2. AKHAN Semiconductors

Ein weiteres Halbleiterunternehmen, das bei der Herstellung von Diamant‑Wafern sehr erfolgreich ist, ist Akhan Semiconductors. Im Jahr 2021 fertigte es die ersten 300 mm Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS) Diamant‑Wafer. Die Technologie wurde hauptsächlich entwickelt, um die Leistungsfähigkeit, das Wärmemanagement und die Haltbarkeit von Elektronik zu verbessern. Sie richtet sich jedoch an verschiedene Branchen und Fertigungsprozesse. Laut dem CEO von Akhan Semiconductor, Adam Khan, werden Akhan‑Diamant‑Wafer dabei helfen, leistungsfähigere und langlebigere Geräte zu bauen. 

Mit Sitz in Illinois, USA, ist Akhan Semiconductor ein privat gehaltenes Unternehmen, das 2012 gegründet wurde. Laut den neuesten verfügbaren Nachrichten hat das Unternehmen am 17. Februar 2022 US 20 Millionen $ eingeworben. 

Andere Daten­speicherlösungen

Während die Erforschung von Farbzentren in Diamanten definitiv eine bahnbrechende Innovation im Bereich der Datenspeicherung darstellt, ist die Lösung noch nicht skaliert. 

Ein Technologieriese, der ständig mit neuen und verbesserten Datenspeichertechnologien experimentiert, ist Intel (INTC ). Er bietet mehrere innovative Speichertechnologien an. 

#1. Intel Storage Technologies 

Seine Optane‑Technologie zum Beispiel hilft, Engpässe bei der Datenspeicherung in Rechenzentren zu beseitigen, sodass Nutzer mit größeren, kostengünstigeren Datensätzen arbeiten können. Seine 3D‑NAND‑Technologieprodukte sind für ihre Kapazität und Zuverlässigkeit bekannt. Seine EDSFF‑SSD‑Lösungen ermöglichen eine verbesserte Kapazität zu geringeren Kosten. 

Intels 2022 revenue betrug 63,1 Milliarden $, ein Rückgang von 16,0 Milliarden $ bzw. 20 % gegenüber 2021. Das Unternehmen investierte 17,5 Milliarden $ in Forschung und Entwicklung, tätigte Kapitalinvestitionen von 24,8 Milliarden $ und erwirtschaftete 15,4 Milliarden $ an operativem Cashflow sowie einen bereinigten freien Cashflow von –4,1 Milliarden $. 

#2. Seagate

Seagate ist ein weiterer Vorreiter im Bereich der Datenspeicherung und hat kürzlich eine bedeutende Innovation vorgestellt. Ihr neuestes Angebot ist das leistungsstarke, effiziente und langlebige Blockspeichersystem mit Multi‑Petabyte‑Kapazität, bekannt als Exos® CORVAULT™. Die hochdichten Merkmale dieses Systems gewährleisten eine optimale Raumausnutzung, verlängerte Lebenszyklen und einen reduzierten Stromverbrauch pro Petabyte. 

Zusätzlich trägt es zur Senkung des CO₂‑Fußabdrucks von Rechenzentren bei, indem es weniger Rechen- und Netzwerkressourcen erfordert. Derzeit ist die Lösung in zwei Varianten erhältlich: Die erste Variante bietet bis zu 2,5 PB Speicher in 1,2‑Meter‑Racks, während die zweite 1,5 PB für 1,0‑Meter‑tief‑Racks bereitstellt.

Für das am 30. Juni 2023 endende Geschäftsjahr verzeichnete Seagate einen Umsatz von über 7,3 Milliarden US‑$, was deutlich weniger war als der Umsatz des Vorjahres von über 11,5 Milliarden US‑$. 

Zukünftige Forschung zu Diamant‑Farbzentren

Es wird viel geforscht, um Diamant‑Farbzentren besser zu erforschen und zu verstehen. Die Forscher sind aus vielen Gründen motiviert, insbesondere weil die Farbzentren verbesserte optische Eigenschaften hinsichtlich spektraler Stabilität, Wellenlänge und Spin‑Eigenschaften aufweisen. Während Diamanten im Allgemeinen reich an optischen Zentren sind, bleibt die genaue Herkunft dieser Zentren oft unbekannt. Es wird erwartet, dass zukünftige Forschung zweifellos weitere Erkenntnisse liefern wird. 

Diamant‑Wafer stellen einen bedeutenden Durchbruch für die Speicherung großer Datenmengen dar. Und es ist ein Bereich, in dem derzeit viel geforscht wird. Ein tieferes Verständnis von Diamant‑Wafern würde zweifellos helfen, ihre Eigenschaften als Speichersysteme zu verbessern.

Obwohl Wissenschaftler der Chiba University in Japan für die Stromversorgung der nächsten Halbleitergeneration eine Methode entwickelt haben, die Laser zur Herstellung von Diamant‑Wafern nutzt. Laut Hirofumi Hidai, Professor an der Chiba University School of Engineering:

„Das Schneiden von Diamanten ermöglicht die Produktion hochwertiger Wafer zu niedrigen Kosten und ist unverzichtbar für die Herstellung von Halbleitergeräten.“ 

Diese neu entwickelte Methode ist aus Gründen, die über die Nutzung von Diamanten als Halbleiter hinausgehen, entscheidend. Sie hilft, Mechanismen zur Kontrolle der Rissbildung in Diamanten zu entwickeln, sodass diese entlang einer gewünschten Ebene wachsen können. 

Im April dieses Jahres ging Amazon Web Services eine Zusammenarbeit mit der De‑Beers‑Tochter Element Six ein, um synthetische Diamanten zu entwickeln, die für die Quanten‑Schlüsselverteilung verwendet werden. Besonders hervorzuheben ist dabei ihre Methode, bei der Farbzentren in einem Diamanten erzeugt werden. Diese Farbzentren absorbieren Photonen mit Quanteninformationen, um sie später wieder abzugeben.

Laut Antia Lamas‑Linares, die das AWS Center for Quantum Networking leitet:

„Wir [Amazon] können bereits einige Dinge in relativ kleinem Maßstab umsetzen, aber um es wirklich auf ein globales Niveau zu bringen – AWS ist ein globales Unternehmen – gibt es einige Dinge, die entwickelt werden müssen.“

Zusammenfassend wird die Welt mehr Forschung sehen, die darauf abzielt, Diamant‑Farbzentren zu nutzen. Nicht alle werden die Datenspeicherung verbessern, aber viele werden es tun. Daten sind der Treibstoff, auf dem unsere moderne Welt läuft. Es ist völlig natürlich, dass führende Unternehmen in Zukunft mehr in Lösungen investieren werden, die helfen, den exponentiell wachsenden Speicherbedarf zu bewältigen.