Rompiendo Nuevos Terrenos: Cómo Manipular los ‘Centros de Color’ de los Diamantes Podría Transformar el Almacenamiento de Datos?

Los centros de color en los diamantes son algo que los investigadores y la comunidad científica han encontrado muy interesante en el pasado reciente. Antes de profundizar en cómo podrían ayudar a satisfacer nuestras crecientes necesidades de almacenamiento, comprendamos rápidamente qué son estos centros de color en los diamantes. 

¿Qué son los Centros de Color?

Los centros de color son defectos dentro de la estructura de enlaces de un material. Los enlaces, en este caso, implican una atracción prolongada entre átomos o iones dentro de una molécula. La fuerza que une los átomos o iones podría ser fuerzas electrostáticas entre iones de carga opuesta. También podría derivarse del compartimiento de electrones. 

Los defectos dentro de la estructura de enlaces pueden manifestarse en diferentes formas, como huecos, excitones, vacantes o impurezas. Los excitones no son más que electrones atrapados en estados excitados.  

Los centros de color existen como puntos localizados en el material donde la estructura de enlaces ha cambiado. La formación de centros de color produce una alteración de la refractividad molar del material. Sin embargo, en el caso de los diamantes, los centros de color resultan útiles para aplicaciones cuánticas. 

Más importante aún, la comunidad científica ha estado investigando los centros de color durante los últimos años por sus mejores propiedades ópticas. Encontraron que el centro de vacancia de nitrógeno es particularmente útil por su estado fundamental de espín alto con un tiempo de coherencia de espín favorable desde temperaturas criogénicas hasta la temperatura ambiente. 

Recientemente, los físicos del City College of New York (CCNY) han desarrollado una técnica que potencialmente puede reforzar y ampliar la capacidad de almacenamiento de datos en los diamantes. 

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Avance en Almacenamiento Óptico de Datos: Centros de en Diamantes y un Descubrimiento Científico

La investigación, titulada “Almacenamiento Óptico Reversible de Datos por debajo del Límite de Difracción”, se basa en la tecnología de multiplexación del almacenamiento en el dominio espectral. Implica la posibilidad de almacenar muchas imágenes diferentes en el mismo lugar del diamante. Todo lo que se necesita es usar un láser de un color marginalmente diferente. En consecuencia, esto resultaría en el almacenamiento de información diversa en diferentes átomos que comparten el mismo punto microscópico. 

Según Tom Delord, investigador postdoctoral en CCNY, el método es capaz de llegar a “aplicaciones informáticas” que requieren “almacenamiento de alta capacidad”.

Para lograr lo que han conseguido hasta ahora, los científicos de CCNY tuvieron que controlar la carga eléctrica de los centros de color. Lo lograron usando un láser de banda estrecha y condiciones criogénicas con gran precisión. Cabe mencionar que la criogenia es el estudio científico de los materiales y su comportamiento a temperaturas extremadamente bajas. 

Según los investigadores, el método les ayudó a:

“Escribir y leer diminutos bits de datos a un nivel mucho más fino que antes era posible, hasta un solo átomo.” 

¿Por Qué es Importante este Avance?

Básicamente, la investigación nos muestra cómo almacenar más datos en un espacio finito. Esto es cada vez más importante, ya que la investigación y los desarrollos relacionados son cruciales para nuestra era. La urgencia de estos desarrollos se subraya por el hecho de que el volumen de datos que necesitamos almacenar ha estado aumentando exponencialmente cada día.

En contexto, según la investigación más reciente, existen 64 zettabytes de datos en el mundo puramente en forma digital, donde un zettabyte equivale a un billón de gigabytes. Notablemente, el 90 % de los datos del mundo se creó en los últimos dos años. Se estima que para 2025, el volumen global de datos aumentará a entre 150-175 zettabytes, con los dispositivos IoT solos responsables de 90 zettabytes de esos datos.

Dado este asombroso aumento en la creación de datos, la solución desarrollada mediante la manipulación de los centros de color de los diamantes puede ayudar a almacenar más datos sin esfuerzo, lo que resulta en una expansión significativa del espacio físico de almacenamiento. Este avance llega en el momento oportuno, considerando la creciente necesidad de un espacio físico de almacenamiento sustancial en varios sectores.

Por ejemplo, Facebook genera 4 petabytes de datos al día, donde 1 petabyte equivale a 1 millón de gigabytes de datos. Para soportar esto, Facebook posee y opera 18 centros de datos a nivel mundial, que abarcan 40 millones de pies cuadrados de espacio. Sin embargo, Facebook es solo una de las gigantes tecnológicas que lidian con volúmenes masivos de datos. El motor de búsqueda de Google procesa 3,5 mil millones de consultas diarias, los usuarios de WhatsApp intercambian más de 65 mil millones de mensajes al día, y los usuarios de internet en todo el mundo generan casi 2,5 quintillones de bytes de datos cada día. Esto subraya una demanda implacable de almacenamiento, almacenamiento y más almacenamiento.

Indudablemente, la información de CCNY con centros de color de diamante sería un cambio de juego cuando se escale. 

Investigaciones Previas sobre Centros de Individuales de Vacancia de Germanio en Diamantes

Investigaciones similares se llevaron a cabo anteriormente sobre los centros de color en diamantes. El Investigación publicada en 2015, por ejemplo, ayudó a comprender los defectos fluorescentes de tamaño atómico en los diamantes como una prometedora plataforma de estado sólido para criptografía cuántica y procesamiento de información cuántica, sirviendo como un paso fundamental para estudios posteriores en esta área.

La investigación probó la viabilidad de usar fuentes de fotón único con alta intensidad y métodos de fabricación reproducibles para este propósito. El estudio tomó nota de un nuevo centro de color en el diamante, compuesto de germanio y una vacancia, que los investigadores denominaron centro GeV. 

Otra investigación, publicada en 2022, realizada por investigadores de la Universidad Saga y Adamant Namiki Precision Jewelry, condujo al desarrollo de un nuevo método para fabricar obleas de diamante de ultra alta pureza. Estas obleas de diamante miden 5 cm de diámetro. 

Con su densidad de datos, estas obleas pueden almacenar el equivalente a mil millones de discos Blu‑ray. Para poner esto en perspectiva, un disco Blu‑ray típico puede almacenar hasta 25 GB de datos. Por lo tanto, mil millones de discos Blu‑ray equivaldrían a asombrosos 25 exabytes de datos. Al lograr esta hazaña, la investigación utilizó un centro de vacancia de nitrógeno para almacenar datos en forma de bits cuánticos superconductores (qubits).

Más sobre Adamant Namiki Precision Jewelry o Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry cambió su nombre a Orbray Co., Ltd., con efecto a partir del 1 de enero de 2023. La compañía tiene una amplia gama de productos, incluyendo joyería de precisión, componentes de fibra óptica y pequeños motores. Por aplicación, la empresa atiende a los campos de comunicación de información, semiconductores, máquinas industriales, robots, automóviles, dispositivos de conducción óptica, fabricación de audio y mucho más. 

Fundada en 1939 y con sede en Tokio, Japón, Orbray es una empresa privada. 

Empresas que Trabajan en la Tecnología de Obleas de Diamante

Mientras Orbray es conocida por fabricar obleas de diamante específicamente para almacenamiento, hay pocas otras en la industria que hayan desarrollado una solución de almacenamiento comparable. Sin embargo, es notable que muchas otras compañías producen obleas de diamante para diversos propósitos. Esto merece atención ya que estas empresas también podrían incursionar en soluciones de almacenamiento en el futuro cercano, dado su conocimiento existente de la tecnología fundamental.

#1. Stanford Advanced Materials

Otra compañía renombrada por fabricar obleas de diamante es Stanford Advanced Materials. Ofrecen un producto conocido como la Oblea de Diamante CVD, destacada por sus propiedades ópticas y térmicas de alta gama. Además, afirman que estas obleas de diamante poseen excelentes propiedades físicas y químicas. Notablemente, presentan una banda casi continua de transparencia óptica desde UV hasta THz, lo que las hace compatibles con múltiples rangos de banda, incluyendo rayos X, ultravioleta, infrarrojo, microondas y más.

Obleas de diamante CVD tienen muchas propiedades que son casi imposibles de lograr para materiales ópticos generales. Por ejemplo, son capaces de desempeñar roles cruciales en alta energía de entrada, baja pérdida dieléctrica, alta ganancia Raman, baja distorsión de haz, resistencia a la erosión y otros aspectos. 

Las obleas de diamante CVD de Stanford sirven a muchas industrias, incluyendo aeroespacial, militar y otras. Son altamente eficientes en la gestión térmica, especialmente en componentes electrónicos de alta potencia, alta frecuencia, miniaturizados y altamente integrados. 

Con sede en Lake Forest, California, Estados Unidos, Stanford Advanced Materials ha estado en operación desde 1994 y es una empresa privada. 

#2. AKHAN Semiconductors

Otra empresa de semiconductores que está teniendo mucho éxito en la fabricación de obleas de diamante es Akhan Semiconductors. En 2021, fabricó las primeras obleas de diamante CMOS de 300 mm. La tecnología se desarrolló principalmente para mejorar el manejo de potencia, la gestión del calor y la durabilidad de los dispositivos electrónicos. Sin embargo, atiende a una variedad de industrias y procesos de fabricación. Según el CEO de Akhan Semiconductor, Adam Khan, Las obleas de diamante de Akhan ayudarán a construir dispositivos más potentes y duraderos. 

Con sede en Illinois, Estados Unidos, Akhan Semiconductor es una empresa privada fundada en 2012. Según las últimas noticias disponibles, la compañía recaudó US$20 millones el 17 de febrero de 2022. 

Otras Soluciones de Almacenamiento de Datos

Si bien explorar los centros de color en los diamantes es definitivamente una innovación que cambia el juego en el campo del almacenamiento de datos, la solución aún no se ha escalado. 

Un gigante tecnológico que sigue experimentando con nuevas y mejoradas tecnologías de almacenamiento de datos todo el tiempo es Intel (INTC ). Tiene múltiples tecnologías de almacenamiento innovadoras para ofrecer. 

#1. Tecnologías de Almacenamiento de Intel 

Su Optane Technology, por ejemplo, ayuda a eliminar cuellos de botella en el almacenamiento de centros de datos, permitiendo a los usuarios manejar conjuntos de datos más grandes y asequibles. Sus productos de tecnología 3D NAND son conocidos por su capacidad y fiabilidad. Sus soluciones SSD EDSFF ayudan a lograr mayor capacidad a menores costos. 

Ingresos de Intel en 2022 fueron $63.1 mil millones, una caída de $16.0 mil millones, o 20 %, respecto a 2021. La compañía invirtió $17.5 mil millones en I&D, realizó inversiones de capital de $24.8 mil millones, y generó $15.4 mil millones en efectivo de operaciones y $(4.1) mil millones de flujo de caja libre ajustado.

#2. Seagate

Seagate es otro pionero en el campo del almacenamiento de datos, habiendo introducido recientemente una innovación significativa. Su última oferta es el sistema de almacenamiento en bloque de capacidad multi‑petabyte de alto rendimiento, eficiencia y durabilidad conocido como Exos® CORVAULT™. Las características de alta densidad de este sistema aseguran una utilización óptima del espacio, ciclos de vida extendidos y una reducción del consumo de energía por petabyte. 

Adicionalmente, contribuye a reducir la huella de carbono del centro de datos al requerir menos recursos de computación y redes. Actualmente, la solución está disponible en dos variantes: la primera variante ofrece hasta 2,5 PB de almacenamiento en bastidores de 1,2 metros, mientras que la segunda brinda 1,5 PB para bastidores de 1,0 metro de profundidad.

Para el año financiero que terminó el 30 de junio de 2023, Seagate registró unos ingresos de más de US$7.3 mil millones, lo que fue considerablemente menos que los ingresos del año anterior de más de US$11.5 mil millones.

Investigación Futura en los Centros de de Diamante

Se está llevando a cabo mucha investigación para explorar y comprender mejor los centros de color de diamante. Los investigadores están motivados por muchas razones, notablemente porque los centros de color exhiben mejores propiedades ópticas en términos de estabilidad espectral, longitud de onda y propiedades de espín. Mientras que el diamante es generalmente rico en centros ópticos, el origen exacto de estos centros a menudo sigue sin conocerse. Se anticipa que la investigación futura sin duda proporcionará más conocimientos. 

Las obleas de diamante han sido un avance significativo para el almacenamiento de datos a gran escala. Y es un área donde se está realizando mucha investigación actualmente. Conocer más sobre las obleas de diamante ayudaría a mejorar sus propiedades como sistemas de almacenamiento, sin duda. 

Aunque para alimentar los semiconductores de próxima generación, científicos de la Universidad de Chiba en Japón han desarrollado un método que usa láseres para crear obleas de diamante. Según Hirofumi Hidai, un profesor de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Chiba:

“El corte de diamante permite la producción de obleas de alta calidad a bajo costo y es indispensable para fabricar dispositivos semiconductores.”

Este método recién desarrollado es crucial por razones que van más allá del uso del diamante como semiconductor. Ayuda a desarrollar mecanismos para controlar la formación de grietas a través del diamante de modo que puedan crecer a lo largo de un plano deseado. 

En abril de este año, Amazon Web Services estableció una colaboración con la subsidiaria de De Beers, Element Six, para desarrollar diamantes sintéticos, que se usarán en la distribución de claves cuánticas. Lo que destaca en esta asociación es su método, que implica crear centros de color en un diamante. Estos centros de color absorberán fotones que contienen información cuántica para reemitirlos más tarde. 

Según Antia Lamas‑Linares, quien lidera el AWS Center for Quantum Networking:

“Nosotros [Amazon] ya podemos hacer algunas cosas a escalas relativamente pequeñas, pero para llevarlo realmente a una escala global – AWS es una empresa global – hay algunas cosas que necesitan desarrollarse.”

Para concluir, el mundo verá más investigaciones dirigidas a aprovechar los centros de color de diamante. No todas ayudarán a mejorar el almacenamiento de datos, pero muchas lo harán. Los datos son el combustible con el que funciona nuestro mundo moderno. Es bastante natural que las empresas líderes inviertan más en el futuro en soluciones que ayuden a resolver las crecientes necesidades de almacenamiento exponencial.