नई दिशा में कदम: हीरे के ‘रंग केंद्रों’ को नियंत्रित करके डेटा संग्रहण को कैसे बदल सकते हैं?

हीरे के रंग केंद्रों में वैज्ञानिक समुदाय की गहरी रुचि रही है। बढ़ती डेटा संग्रहण जरूरतों में उनकी संभावित भूमिका समझने से पहले, आइए जानें कि ये केंद्र क्या होते हैं।

रंग केंद्र क्या हैं?

रंग केंद्र किसी पदार्थ के क्रिस्टलीय जालक में ऐसे स्थानीय दोष होते हैं जो प्रकाश के अवशोषण या उत्सर्जन को प्रभावित करते हैं। पदार्थ में परमाणु या आयन विद्युतस्थैतिक आकर्षण अथवा इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी जैसे बंधों से जुड़े हो सकते हैं। हीरे का क्रिस्टल कार्बन परमाणुओं का जालक है; इसे अलग-अलग अणुओं का समूह समझना सही नहीं होगा।

क्रिस्टलीय दोषों में रिक्त जालक-स्थल और अशुद्धि परमाणु शामिल हो सकते हैं। होल इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति से जुड़ा प्रभावी धनावेश है, जबकि एक्साइटॉन एक बंधित इलेक्ट्रॉन–होल युग्म है; वह केवल उत्तेजित अवस्था में फँसा इलेक्ट्रॉन नहीं है। इन सभी अवधारणाओं को एक ही तरह का स्थायी संरचनात्मक दोष नहीं मानना चाहिए।

रंग केंद्र पदार्थ में स्थानीय स्थानों पर इलेक्ट्रॉनिक और प्रकाशीय गुण बदलते हैं। इसलिए उनकी भूमिका केवल पदार्थ की मोलर अपवर्तनशीलता में बदलाव तक सीमित नहीं है। हीरे में कुछ केंद्रों के प्रकाश और स्पिन गुण उन्हें क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनाते हैं।

वैज्ञानिक समुदाय ने रंग केंद्रों के प्रकाशीय और स्पिन गुणों का अध्ययन किया है। नाइट्रोजन–रिक्ति या NV केंद्र में एक नाइट्रोजन परमाणु के पास कार्बन का एक जालक-स्थल खाली होता है। इसकी स्पिन-1 आधार अवस्था और अनुकूल स्पिन सुसंगति, क्रायोजेनिक परिस्थितियों से कमरे के तापमान तक, इसे उपयोगी बनाती हैं।

दिसंबर 2023 में न्यूयॉर्क के सिटी कॉलेज (CCNY) के भौतिकविदों ने एक तकनीक प्रस्तुत की जो हीरे में प्रकाशीय डेटा संग्रहण क्षमता बढ़ाने का मार्ग खोल सकती है। यह प्रयोगशाला का परिणाम था, तैयार व्यावसायिक संग्रहण उपकरण नहीं।

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ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज में क्रांतिकारी प्रगति: हीरे में रंग केंद्र और एक वैज्ञानिक सफलता

“Reversible Optical Data Storage below the Diffraction Limit” नामक अध्ययन संग्रहण के स्पेक्ट्रल मल्टीप्लेक्सिंग पर आधारित है। लेज़र की तरंगदैर्ध्य थोड़ा बदलकर एक ही विवर्तन-सीमित स्थान के अलग-अलग NV केंद्रों के आवेश को चुनिंदा रूप से बदला जा सकता है। इससे उसी सूक्ष्म क्षेत्र में अलग-अलग छवियाँ या डेटा लिखने, मिटाने और दोबारा लिखने की संभावना मिलती है; यह अलग-अलग केंद्रों को संबोधित करना है, प्रत्येक सामान्य परमाणु को मनमाने ढंग से स्मृति बनाना नहीं।

CCNY के पोस्टडॉक्टोरल रिसर्च एसोसिएट टॉम डेलॉर्ड के अनुसार, यह विधि “उच्च-क्षमता वाले संग्रहण” की आवश्यकता वाले “कम्प्यूटिंग अनुप्रयोगों” तक पहुँच सकती है।

अब तक की उपलब्धियों को हासिल करने के लिए, CCNY के वैज्ञानिकों को रंग केंद्रों के विद्युत आवेश को नियंत्रित करना पड़ा। उन्होंने इसे संकीर्ण बैंड लेज़र और अत्यंत सटीक क्रायोजेनिक स्थितियों का उपयोग करके पूरा किया। यहाँ यह उल्लेख करना उचित होगा कि क्रायोजेनिक्स अत्यंत निम्न तापमान पर पदार्थों और उनके व्यवहार का वैज्ञानिक अध्ययन है। 

शोधकर्ताओं ने इस उपलब्धि का वर्णन इस प्रकार किया:

पहले से संभव स्तर से कहीं अधिक सूक्ष्म स्तर पर, एकल परमाणु तक, डेटा के छोटे बिट्स को लिखना और पढ़ना। 

यह प्रगति क्यों महत्वपूर्ण है?

यह शोध सीमित स्थान में अधिक डेटा संग्रहीत करने का एक संभावित तरीका दिखाता है। डेटा निर्माण और उसकी प्रतियों की बढ़ती मात्रा अधिक सघन संग्रहण के विकास को महत्वपूर्ण बनाती है। हालांकि, प्रयोगशाला की विधि को बड़े पैमाने के उपयोग तक पहुँचाने के लिए आगे विकास जरूरी है।

इस संदर्भ में लेख ने संकलित उद्योग आँकड़ों का हवाला दिया: लगभग 64 ज़ेटाबाइट डिजिटल डेटा, पिछले दो वर्षों में 90% डेटा बनने का दावा, और 2025 के लिए 150–175 ज़ेटाबाइट तथा IoT के लिए 90 ज़ेटाबाइट के अनुमान। ये अलग-अलग समय और परिभाषाओं वाले पुराने दावे तथा पूर्वानुमान हैं, वर्तमान में संग्रहित अद्वितीय डेटा का एक संयुक्त मापन नहीं। एक ज़ेटाबाइट दशमलव पद्धति में एक ट्रिलियन यानी 10^12 गीगाबाइट होता है।

यदि हीरे के रंग केंद्रों का यह नियंत्रण व्यावहारिक संग्रहण प्रणाली में बदला जा सके, तो समान भौतिक आयतन में अधिक डेटा रखा जा सकता है। इससे अधिक क्षमता की मांग पूरी करने में मदद मिल सकती है; इसका अर्थ बिना इंजीनियरिंग प्रयास के नया भौतिक स्थान पैदा करना नहीं है।

माँग का पैमाना समझाने के लिए मूल लेख ने पुराने उद्योग आँकड़े दिए: फेसबुक के लिए प्रतिदिन 4 पेटाबाइट, 18 डेटा केंद्र और लगभग 4 करोड़ वर्ग फुट क्षेत्र; गूगल के लिए प्रतिदिन 3.5 अरब खोजें; व्हाट्सएप के लिए 65 अरब से अधिक संदेश; और इंटरनेट उपयोगकर्ताओं के लिए प्रतिदिन लगभग 2.5×10^18 बाइट। इन्हें वर्तमान या एक ही वर्ष के आँकड़े नहीं समझना चाहिए। दशमलव पद्धति में एक पेटाबाइट दस लाख गीगाबाइट होता है। ये उदाहरण संग्रहण की लगातार मांग दिखाते हैं।

यदि इसे बड़े पैमाने पर विश्वसनीय और किफायती बनाया जा सके, तो CCNY का यह तरीका संग्रहण के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है।

हीरे में जर्मेनियम-वैकेंसी एकल रंग केंद्रों पर पिछले शोध

हीरे के रंग केंद्रों पर समान शोध पहले भी किया गया था। उदाहरण के लिए, 2015 में प्रकाशित शोध ने हीरे में परमाणु-आकार के फ्लोरेसेंट दोषों को क्वांटम क्रिप्टोग्राफी और क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए एक आशाजनक ठोस-स्थिति प्लेटफ़ॉर्म के रूप में समझने में मदद की, जो इस क्षेत्र में आगे के अध्ययनों के लिए एक बुनियादी कदम था।

अध्ययन ने जर्मेनियम और एक रिक्ति से बने GeV केंद्र से एकल फोटॉन उत्सर्जन दिखाया। शोधकर्ताओं ने आयन प्रत्यारोपण तथा क्रिस्टल वृद्धि के दौरान जर्मेनियम शामिल करके ऐसे केंद्र बनाए। यह क्वांटम प्रकाशिकी के लिए पुनरुत्पादनीय प्रकाश स्रोत का अध्ययन था, बड़े डेटा संग्रहण उपकरण का प्रदर्शन नहीं।

2022 की एक अन्य घोषणा में सागा विश्वविद्यालय और एडमैन्ट नामिकी प्रिसिजन ज्वैलरी ने अत्यधिक शुद्ध, लगभग 2 इंच या 55 मिमी व्यास के हीरे के वेफ़र बनाने की विधि बताई। नाइट्रोजन अशुद्धि को 3 ppb या उससे कम तक सीमित करना क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण था।

कंपनी ने ऐसे वेफ़र की सैद्धांतिक क्वांटम-स्मृति क्षमता की तुलना एक अरब ब्लू-रे डिस्क से की। प्रत्येक डिस्क के लिए 25 GB मानने पर यह 25 एक्साबाइट होता है; यह तुलना पूरे वेफ़र पर इतनी जानकारी लिखकर पढ़ने का प्रमाण नहीं थी। NV केंद्र इलेक्ट्रॉन स्पिन पर आधारित दोष-क्यूबिट हो सकते हैं, सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट नहीं। दोनों क्वांटम तकनीकों के अलग प्रकार हैं।

एडमैन्ट नामिकी प्रिसिजन ज्वैलरी या ऑरब्रै के बारे में अधिक

एडमैन्ट नामिकी प्रिसिजन ज्वैलरी ने अपना नाम बदलकर Orbray Co., Ltd. कर दिया, प्रभावी 1 जनवरी 2023 से। कंपनी के पास उत्पादों की विस्तृत श्रृंखला है, जिसमें प्रिसिजन ज्वैलरी, फाइबर ऑप्टिकल घटक, और छोटे मोटर शामिल हैं। अनुप्रयोग के अनुसार, कंपनी सूचना संचार, अर्धचालक, औद्योगिक मशीन, रोबोट, ऑटोमोबाइल, ऑप्टिकल ड्राइविंग डिवाइस, ऑडियो निर्माण और कई अन्य क्षेत्रों को सेवा प्रदान करती है।

1939 में स्थापित और टोक्यो, जापान में मुख्यालय स्थित, ऑरब्रै एक निजी स्वामित्व वाली कंपनी है।

डायमंड वेफ़र तकनीक पर काम करने वाली कंपनियां

ऑरब्रै के बड़े और शुद्ध हीरे के वेफ़र क्वांटम-स्मृति अनुसंधान के लिए उपयोगी आधार हो सकते हैं। दूसरी कंपनियाँ भी प्रकाशिकी, ऊष्मा प्रबंधन और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए हीरे की सामग्री बनाती हैं। ऐसी निर्माण क्षमता भविष्य में संग्रहण अनुसंधान में सहायक हो सकती है, लेकिन अपने आप में तुलनीय कार्यशील डेटा-संग्रहण उत्पाद का प्रमाण नहीं है।

#1. Stanford Advanced Materials

Stanford Advanced Materials CVD यानी रासायनिक वाष्प निक्षेपण से बने डायमंड वेफ़र उपलब्ध कराती है। कंपनी इनके प्रकाशीय, तापीय, भौतिक और रासायनिक गुणों का वर्णन करती है, जिनमें UV से THz तक व्यापक प्रकाशीय संप्रेषण और एक्स-रे, अवरक्त तथा माइक्रोवेव अनुप्रयोग शामिल हैं। ये गुण विशिष्ट सामग्री और आवृत्ति पर निर्भर होते हैं।

CVD डायमंड वेफ़र में कई ऐसे गुण हैं जो सामान्य प्रकाशीय पदार्थों के लिए लगभग असंभव हैं। उदाहरण के लिए, यह उच्च ऊर्जा इनपुट, कम डाइलेक्ट्रिक हानि, उच्च रमन गेन, कम बीम विकृति, क्षरण प्रतिरोध और अन्य पहलुओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। 

Stanford के CVD डायमंड वेफ़र कई उद्योगों, जैसे एयरोस्पेस, सैन्य और अन्य, को सेवा प्रदान करते हैं। वे थर्मल प्रबंधन में अत्यधिक कुशल हैं, विशेष रूप से उच्च शक्ति, उच्च आवृत्ति, लघु आकार और अत्यधिक एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक घटकों में। 

संयुक्त राज्य अमेरिका के कैलिफ़ोर्निया, लेक फॉरेस्ट में मुख्यालय स्थित, Stanford Advanced Materials 1994 से संचालित हो रहा है और यह एक निजी स्वामित्व वाली कंपनी है। 

#2. AKHAN Semiconductors

AKHAN Semiconductor ने जुलाई 2021 में 300 मिमी वेफ़र पर CMOS-संगत डायमंड तकनीक के निर्माण की घोषणा की। इसका उद्देश्य इलेक्ट्रॉनिक्स की शक्ति वहन क्षमता, ऊष्मा प्रबंधन और टिकाऊपन सुधारना था। यह घोषणा 300 मिमी के शुद्ध एकल-क्रिस्टल डेटा-संग्रहण हीरे का प्रदर्शन नहीं थी। संस्थापक एडम खान के अनुसार, AKHAN के डायमंड वेफ़र अधिक शक्तिशाली और टिकाऊ उपकरणों का आधार बन सकते थे।

इलिनोइस स्थित निजी कंपनी AKHAN ने 17 फरवरी 2022 को 2 करोड़ अमेरिकी डॉलर के वित्तपोषण की घोषणा की। यह ऐतिहासिक घोषणा है, कंपनी के वर्तमान स्वामित्व या नवीनतम वित्तपोषण का विवरण नहीं।

अन्य डेटा संग्रहण समाधान

हीरे के रंग केंद्र प्रकाशीय संग्रहण का एक संभावित मार्ग हैं, लेकिन 2023 का प्रयोग व्यावसायिक पैमाने की तैयार प्रणाली नहीं था।

Intel (INTC ) ने भी कई संग्रहण तकनीकें विकसित की थीं। 2023 के संदर्भ में उनकी तकनीकी भूमिका को कंपनी के व्यवसाय में हुए बदलावों से अलग समझना जरूरी है।

#1. इंटेल की संग्रहण तकनीकें

इंटेल की Optane तकनीक ने स्मृति और संग्रहण के बीच की बाधाएँ घटाने का प्रयास किया। 3D NAND उत्पाद क्षमता और विश्वसनीयता देते थे, जबकि EDSFF SSD का एक रूपाकार मानक है। हालांकि, इंटेल ने 2022 में Optane व्यवसाय समेटना शुरू कर दिया था; NAND और SSD व्यवसाय की बिक्री का पहला चरण दिसंबर 2021 में SK hynix के साथ पूरा हुआ और SSD व्यवसाय Solidigm में गया। इन्हें 2023 में बिना बदलाव वाला पूरा नया इंटेल उत्पाद पोर्टफोलियो नहीं मानना चाहिए।

इंटेल का 2022 राजस्व 63.1 अरब अमेरिकी डॉलर था, जो 2021 से 16.0 अरब डॉलर या 20% कम था। कंपनी ने अनुसंधान एवं विकास पर 17.5 अरब डॉलर और पूँजीगत निवेश में 24.8 अरब डॉलर खर्च किए। परिचालन नकदी प्रवाह 15.4 अरब डॉलर था, जबकि समायोजित मुक्त नकदी प्रवाह ऋणात्मक 4.1 अरब डॉलर था।

#2. Seagate

Seagate डेटा संग्रहण क्षेत्र में एक और अग्रणी है, जिसने हाल ही में एक महत्वपूर्ण नवाचार प्रस्तुत किया है। उनका नवीनतम उत्पाद उच्च प्रदर्शन, कुशल और टिकाऊ मल्टी-पेटाबाइट क्षमता ब्लॉक स्टोरेज सिस्टम है, जिसे Exos® CORVAULT™ कहा जाता है। इस सिस्टम की उच्च घनत्व विशेषताएँ अनुकूल स्थान उपयोग, विस्तारित जीवन चक्र और प्रति पेटाबाइट कम ऊर्जा खपत सुनिश्चित करती हैं।

2023 में वर्णित CORVAULT विन्यासों में 1.2 मीटर गहरे रैक के लिए अधिकतम 2.5 PB और 1.0 मीटर गहरे रैक के लिए 1.5 PB शामिल थे। 1.2 मीटर रैक की ऊँचाई नहीं, गहराई है। सीगेट ने नवंबर 2023 में 2.5 PB के HAMR संस्करण की घोषणा की और दिसंबर के अंत में उपलब्धता की योजना बताई। घनत्व और संसाधनों के बेहतर उपयोग से ऊर्जा तथा कार्बन प्रभाव घट सकता है, लेकिन वास्तविक परिणाम विन्यास और उपयोग पर निर्भर हैं।

30 जून 2023 को समाप्त वित्त वर्ष में Seagate का राजस्व 7.384 अरब अमेरिकी डॉलर था, जबकि पिछले वित्त वर्ष में यह 11.661 अरब डॉलर था। ये ऐतिहासिक वार्षिक राजस्व हैं, लाभ नहीं।

डायमंड रंग केंद्रों में भविष्य का शोध

रंग केंद्रों की स्पेक्ट्रल स्थिरता, तरंगदैर्ध्य और स्पिन गुणों को बेहतर समझने के लिए शोध जारी है। कुछ केंद्रों की संरचना, जैसे NV और GeV, पहचानी जा चुकी है; अन्य प्रकाशीय संकेतों की उत्पत्ति अभी अध्ययन का विषय है। आगे का शोध उनकी पहचान और नियंत्रण बेहतर कर सकता है।

बड़े और उच्च-गुणवत्ता वाले डायमंड वेफ़र संग्रहण और क्वांटम उपकरणों के अनुसंधान को आगे बढ़ा सकते हैं। हालांकि, वेफ़र निर्माण की प्रगति और विशाल क्षमता वाले कार्यशील स्मृति उपकरण का प्रदर्शन अलग उपलब्धियाँ हैं।

अगली पीढ़ी के अर्धचालकों के लिए चिबा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने 2023 में लेज़र से हीरे के वेफ़र काटने की विधि प्रस्तुत की। यह हीरा उगाने के बजाय पहले से मौजूद क्रिस्टल को काटने की प्रक्रिया है। इस शोध पर रिपोर्ट के अनुसार, इंजीनियरिंग के प्रोफेसर हिरोफुमि हिदाई ने कहा:

डायमंड स्लाइसिंग कम लागत पर उच्च-गुणवत्ता वाले वेफ़र का उत्पादन सक्षम करती है और अर्धचालक उपकरणों के निर्माण के लिए अनिवार्य है। 

यह नई विकसित विधि केवल अर्धचालकों में हीरे के उपयोग से आगे के कारणों के लिए महत्वपूर्ण है। यह क्रैक के निर्माण को नियंत्रित करने के तंत्र विकसित करने में मदद करती है ताकि वे इच्छित तल के साथ बढ़ सकें। 

अप्रैल 2023 में Amazon Web Services ने Element Six के साथ सिंथेटिक हीरे और क्वांटम नेटवर्किंग पर अनुसंधान सहयोग की घोषणा की। लक्ष्य प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने वाले रंग-केंद्र क्यूबिटों को क्वांटम रिपीटर की स्मृति के रूप में विकसित करना था। वे फोटॉन द्वारा लाई गई क्वांटम सूचना को संग्रहीत और स्थानांतरित करने में मदद कर सकते हैं। यह केवल साधारण फोटॉन अवशोषण और पुनः उत्सर्जन नहीं, लंबी दूरी के क्वांटम संचार की शोध चुनौती है।

इस रिपोर्ट में AWS सेंटर फॉर क्वांटम नेटवर्किंग की प्रमुख अंतिया लामास-लिनारेस ने वैश्विक स्तर तक पहुँचने की चुनौती बताई:

हम (Amazon) पहले से ही कुछ चीजें अपेक्षाकृत छोटे पैमाने पर कर सकते हैं, लेकिन इसे वास्तव में वैश्विक स्तर पर ले जाने के लिए – AWS एक वैश्विक कंपनी है – कुछ चीजें विकसित करनी होंगी।

हीरे के रंग केंद्रों पर आगे का शोध संग्रहण, संवेदन और क्वांटम संचार जैसे अलग-अलग क्षेत्रों को लाभ पहुँचा सकता है। हर प्रगति सीधे डेटा संग्रहण में नहीं बदलेगी। बढ़ती संग्रहण जरूरतें इस दिशा में निवेश और अनुसंधान को प्रेरित करती हैं, जबकि बड़े पैमाने के उपयोग के लिए विश्वसनीयता, लागत और संचालन संबंधी काम बाकी है।