Aprire nuove frontiere: Come manipolare i ‘centri di colore’ dei diamanti potrebbe trasformare l’archiviazione dei dati?

I centri di colore nei diamanti sono qualcosa a cui ricercatori e comunità scientifica hanno mostrato grande interesse negli ultimi tempi. Prima di approfondire come potrebbero aiutare a soddisfare le nostre crescenti esigenze di archiviazione, facciamo una rapida comprensione di cosa siano questi centri di colore nei diamanti. 

Che cosa sono i centri di colore?

I centri di colore sono difetti all’interno della struttura di legame di un materiale. I legami, in questo caso, implicano l’attrazione duratura tra atomi o ioni all’interno di una molecola. La forza che lega gli atomi o gli ioni può essere una forza elettrostatica tra ioni di carica opposta. Può anche derivare dalla condivisione di elettroni. 

I difetti all’interno della struttura di legame possono manifestarsi in diverse forme, come buchi, eccitoni, vacanze o impurità. Gli eccitoni non sono altro che elettroni bloccati in stati eccitati. 

I centri di colore vivono come punti localizzati nel materiale dove le strutture di legame sono state alterate. La formazione dei centri di colore comporta la variazione della rifrattività molare del materiale. Tuttavia, nel caso dei diamanti, i centri di colore si rivelano utili per applicazioni quantistiche. 

Più importante, la comunità scientifica ha indagato i centri di colore negli ultimi anni per le loro proprietà ottiche migliorate. Hanno scoperto che il centro di vacanza di azoto è particolarmente utile per il suo alto stato di spin di base con un favorevole tempo di coerenza di spin da criogenico a temperatura ambiente. 

Recentemente, i fisici del City College of New York (CCNY) hanno sviluppato una tecnica che può potenzialmente rafforzare ed espandere la capacità di archiviazione dei dati nei diamanti. 

Clicca qui per l’elenco delle migliori aziende di cloud computing.

Scoperta nella memorizzazione ottica dei dati: centri di colore nei diamanti e una svolta scientifica

La ricerca, intitolata “Reversible Optical Data Storage below the Diffraction Limit”, si basa sulla tecnologia del multiplexing della memorizzazione nel dominio spettrale. Implica la possibilità di memorizzare molte immagini diverse nello stesso punto del diamante. Tutto ciò richiede l’uso di un laser di colore marginalmente diverso. Di conseguenza, ciò porterebbe alla memorizzazione di informazioni diverse in atomi diversi che condividono lo stesso punto microscopico. 

Secondo Tom Delord, ricercatore post-dottorato al CCNY, il metodo è in grado di trovare impiego “in applicazioni informatiche” che richiedono “memorizzazione ad alta capacità”.

Per raggiungere ciò che ha finora realizzato, gli scienziati del CCNY hanno dovuto controllare la carica elettrica dei centri di colore. L’hanno fatto usando un laser a banda stretta e condizioni criogeniche con grande precisione. Vale la pena menzionare qui che la criogenia è lo studio scientifico dei materiali e del loro comportamento a temperature estremamente basse. 

Secondo i ricercatori, il metodo li ha aiutati:

“Scrivere e leggere minuscoli bit di dati a un livello molto più fine rispetto a quanto possibile in precedenza, fino a un singolo atomo.” 

Perché la scoperta è importante?

Essenzialmente, la ricerca ci mostra come memorizzare più dati in uno spazio finito. Questo è sempre più importante, poiché la ricerca e gli sviluppi correlati sono altamente cruciali per la nostra epoca. L’urgenza di questi sviluppi è sottolineata dal fatto che il volume di dati che dobbiamo archiviare è aumentato esponenzialmente ogni giorno.

In contesto, secondo le ultime ricerche, ci sono 64 zettabyte di dati nel mondo esclusivamente in forma digitale, dove un zettabyte equivale a un trilione di gigabyte. Sorprendentemente, il 90% dei dati mondiali è stato creato negli ultimi due anni. Si stima che entro il 2025, il volume globale di dati aumenterà a tra 150-175 zettabyte, con i dispositivi IoT da soli responsabili di 90 zettabyte di questi dati.

Dato questo aumento impressionante nella creazione di dati, la soluzione sviluppata manipolando i centri di colore dei diamanti può aiutare a memorizzare più dati senza sforzo, risultando in una significativa espansione dello spazio di archiviazione fisico. Questo progresso è tempestivo, considerando la crescente necessità di ampi spazi di archiviazione fisica in vari settori.

Ad esempio, Facebook genera 4 petabyte di dati al giorno, dove 1 petabyte equivale a 1 milione di gigabyte di dati. Per supportare ciò, Facebook possiede e gestisce 18 data center a livello globale, che coprono 40 milioni di piedi quadrati di spazio. Tuttavia, Facebook è solo uno dei giganti tecnologici che affrontano volumi di dati massivi. Il motore di ricerca Google elabora 3,5 miliardi di query al giorno, gli utenti di WhatsApp scambiano oltre 65 miliardi di messaggi al giorno, e gli utenti di internet in tutto il mondo generano quasi 2,5 quintilioni di byte di dati ogni giorno. Questo sottolinea una domanda incessante di archiviazione, archiviazione e ancora più archiviazione.

Indubbiamente, le informazioni del CCNY sui centri di colore dei diamanti sarebbero rivoluzionarie se portate a scala. 

Ricerche precedenti sui centri di colore singoli a vacanza di germanio nei diamanti

Ricerche simili sui centri di colore dei diamanti sono state condotte in passato. La Ricerca pubblicata nel 2015, ad esempio, ha aiutato a comprendere i difetti fluorescenti di dimensioni atomiche nei diamanti come una promettente piattaforma a stato solido per la crittografia quantistica e l’elaborazione di informazioni quantistiche, servendo come passo fondamentale per studi successivi in questo ambito.

La ricerca ha testato la fattibilità di utilizzare sorgenti di singolo fotone con metodi di fabbricazione ad alta intensità e riproducibilità per questo scopo. La ricerca ha notato un nuovo centro di colore nei diamanti, composto da germanio e una vacanza, che i ricercatori hanno denominato centro GeV. 

Un’altra ricerca, pubblicata nel 2022, condotta da ricercatori dell’Università di Saga e Adamant Namiki Precision Jewelry, ha portato allo sviluppo di un nuovo metodo per la produzione di wafer di diamante ultra-puri. Questi wafer di diamante misurano 5 cm di diametro. 

Con la loro densità di dati, questi wafer possono memorizzare l’equivalente di un miliardo di dischi Blu-ray. Per mettere questo in prospettiva, un tipico disco Blu-ray può contenere fino a 25 GB di dati. Pertanto, un miliardo di dischi Blu-ray corrisponderebbe a un impressionante 25 exabyte di dati. Per raggiungere questo risultato, la ricerca ha utilizzato un centro di vacanza di azoto per memorizzare i dati sotto forma di superconduttori quantum bits (qubit). 

More on Adamant Namiki Precision Jewelry or Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry ha cambiato il suo nome in Orbray Co., Ltd., a partire dal 1° gennaio 2023. L’azienda offre una vasta gamma di prodotti, tra cui gioielli di precisione, componenti ottici in fibra e piccoli motori. Per applicazione, l’azienda serve i settori delle comunicazioni informative, semiconduttori, macchine industriali, robot, automobili, dispositivi di guida ottica, produzione audio e molto altro. 

Fondata nel 1939 e con sede a Tokyo, Giappone, Orbray è una società privata. 

Companies Working on the Diamond Wafer Technology

Mentre Orbray è nota per la produzione di wafer di diamante specificamente per l’archiviazione, ci sono pochi altri nel settore che hanno sviluppato una soluzione di archiviazione comparabile. Tuttavia, è degno di nota che molte altre aziende producono wafer di diamante per vari altri scopi. Questo merita attenzione poiché queste aziende potrebbero anche espandersi verso soluzioni di archiviazione nel prossimo futuro, dato la loro conoscenza della tecnologia fondamentale.

#1. Stanford Advanced Materials

Un’altra azienda rinomata per la produzione di wafer di diamante è Stanford Advanced Materials. Offrono un prodotto noto come CVD Diamond Wafer, noto per le sue proprietà ottiche e termiche di alto livello. Inoltre, affermano che questi wafer di diamante vantano eccellenti proprietà fisiche e chimiche. In particolare, presentano una banda quasi continua di trasparenza ottica dal UV al THz, rendendoli compatibili con molteplici gamme di banda, inclusi raggi X, ultravioletti, infrarossi, microonde e altro.

CVD diamond wafers possiedono molte proprietà quasi impossibili da ottenere per i materiali ottici generali. Per esempio, è capace di svolgere ruoli cruciali in ingresso di alta energia, bassa perdita dielettrica, alto guadagno Raman, bassa distorsione del fascio, resistenza all’erosione e altri aspetti. 

I CVD diamond wafer di Stanford servono molte industrie, tra cui aerospaziale, militare e altre. Sono altamente efficienti nella gestione termica, specialmente in componenti elettronici ad alta potenza, alta frequenza, miniaturizzati e altamente integrati. 

Con sede a Lake Forest, California, Stati Uniti, Stanford Advanced Materials opera dal 1994 ed è una società privata. 

#2. AKHAN Semiconductors

Un’altra azienda di semiconduttori che sta facendo molto bene nella produzione di wafer di diamante è Akhan Semiconductors. Nel 2021, ha prodotto i primi wafer di diamante CMOS da 300 mm. La tecnologia è stata sviluppata principalmente per migliorare la gestione della potenza, del calore e la durata dell’elettronica. Tuttavia, serve una varietà di industrie e processi di produzione. Secondo il CEO di Akhan Semiconductor, Adam Khan, I wafer di diamante di Akhan aiuteranno a costruire dispositivi più potenti e durevoli.

Con sede in Illinois, Stati Uniti, Akhan Semiconductor è una società privata fondata nel 2012. Secondo le ultime notizie disponibili, l’azienda ha raccolto 20 milioni di dollari il 17 febbraio 2022. 

Other Data Storage Solutions

Mentre l’esplorazione dei centri di colore nei diamanti è sicuramente un’innovazione rivoluzionaria nel campo dell’archiviazione dei dati, la soluzione non è ancora stata scalata. 

Un gigante tecnologico che continua a sperimentare nuove e migliorate tecnologie di archiviazione dei dati è Intel. Ha diverse tecnologie di archiviazione innovative da offrire. 

#1. Intel Storage Technologies 

La sua Tecnologia Optane, ad esempio, aiuta a eliminare i colli di bottiglia di archiviazione nei data center, consentendo agli utenti di gestire set di dati più grandi e più economici. I suoi prodotti di tecnologia 3D NAND sono noti per la loro capacità e affidabilità. Le sue soluzioni SSD EDSFF aiutano a ottenere una capacità migliorata a costi inferiori. 

Il fatturato 2022 di Intel è stato di $63.1 billion, down $16.0 billion, or 20%, from 2021. The company invested $17.5 billion in R&D, made capital investments of $24.8 billion, and generated $15.4 billion in cash from operations and $(4.1) billion of adjusted free cash flow.

#2. Seagate

Seagate è un altro pioniere nel campo dell’archiviazione dei dati, avendo recentemente introdotto un’innovazione significativa. La loro ultima offerta è il sistema di archiviazione a blocchi multi-petabyte ad alte prestazioni, efficiente e durevole noto come Exos® CORVAULT™. Le caratteristiche ad alta densità di questo sistema garantiscono un utilizzo ottimale dello spazio, cicli di vita estesi e ridotto consumo energetico per petabyte. 

Inoltre, contribuisce a ridurre l’impronta di carbonio del data center richiedendo meno risorse di calcolo e di rete. Attualmente, la soluzione è disponibile in due varianti: la prima variante offre fino a 2.5 PB di archiviazione in rack da 1.2 metri, mentre la seconda fornisce 1.5 PB per rack da 1.0 metro di profondità.

Per l’anno finanziario chiuso il 30 giugno 2023, Seagate ha registrato un fatturato di oltre 7.3 billion US$, che è stato notevolmente inferiore rispetto al fatturato dell’anno precedente di oltre 11.5 billion US$.

Future Research in Diamond Centers

Molte ricerche sono in corso per esplorare e comprendere meglio i centri di colore dei diamanti. I ricercatori sono motivati per molte ragioni, in particolare perché i centri di colore mostrano proprietà ottiche migliorate in termini di stabilità spettrale, lunghezza d’onda e proprietà di spin. Mentre i diamanti sono generalmente ricchi di centri ottici, l’esatta origine di questi centri spesso rimane sconosciuta. Si prevede che le ricerche future forniranno sicuramente ulteriori approfondimenti. 

I wafer di diamante sono stati una scoperta significativa per l’archiviazione di dati in grandi quantità. È un’area in cui attualmente si sta conducendo molta ricerca. Conoscere meglio i wafer di diamante aiuterebbe a migliorare le loro proprietà come sistemi di archiviazione, senza dubbio. 

Anche se per alimentare i semiconduttori di prossima generazione, gli scienziati dell’Università di Chiba in Giappone hanno sviluppato un metodo che utilizza laser per creare wafer di diamante. Secondo Hirofumi Hidai, professore della Scuola di Ingegneria dell’Università di Chiba: 

“Il taglio del diamante consente la produzione di wafer di alta qualità a basso costo ed è indispensabile per fabbricare dispositivi semiconduttori.” 

Questo nuovo metodo sviluppato è cruciale per ragioni che vanno oltre l’uso del diamante come semiconduttore. Aiuta a sviluppare meccanismi per controllare la formazione di crepe nei diamanti in modo che possano crescere lungo un piano desiderato. 

Nell’aprile di quest’anno, Amazon Web Services ha stretto una collaborazione con la filiale di De Beers, Element Six, per sviluppare diamanti sintetici, che saranno utilizzati nella distribuzione di chiavi quantistiche. Ciò che spicca in questa partnership è il loro metodo, che prevede la creazione di centri di colore in un diamante. Questi centri di colore assorbiranno fotoni contenenti informazioni quantistiche per riemetterli in seguito. 

Secondo Antia Lamas-Linares, che guida il AWS Center for Quantum Networking: 

“Noi [Amazon] possiamo già fare alcune cose su scala relativamente piccola, ma per portarla davvero a scala globale – AWS è una compagnia globale – ci sono alcune cose che devono essere sviluppate.”

In conclusione, il mondo vedrà più ricerche volte a sfruttare i centri di colore dei diamanti. Non tutte aiuteranno a migliorare l’archiviazione dei dati, ma molte lo faranno. I dati sono il carburante su cui gira il nostro mondo moderno. È del tutto naturale che le aziende leader investiranno di più in futuro verso soluzioni che aiutino a risolvere le crescenti esigenze di archiviazione esponenziale.