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

I centri di colore nei diamanti hanno suscitato grande interesse scientifico. Prima di esaminare come potrebbero contribuire alle crescenti esigenze di archiviazione, vediamo che cosa sono.

Che cosa sono i centri di colore?

I centri di colore sono difetti localizzati nel reticolo di un materiale che ne influenzano l’assorbimento o l’emissione di luce. Gli atomi e gli ioni possono essere tenuti insieme da legami basati sull’attrazione elettrostatica o sulla condivisione di elettroni. Il diamante è un reticolo di atomi di carbonio, non un insieme di molecole distinte.

Tra i difetti cristallini vi sono vacanze, cioè siti reticolari privi di un atomo, e impurità. Una lacuna è invece l’assenza di un elettrone che si comporta come una carica positiva; un eccitone è una coppia legata elettrone–lacuna, non semplicemente un elettrone intrappolato in uno stato eccitato. Questi concetti non indicano tutti lo stesso tipo di difetto strutturale permanente.

I centri di colore modificano localmente le proprietà elettroniche e ottiche. Il loro ruolo non si riduce a una generica variazione della rifrattività molare. Nei diamanti, le proprietà ottiche e di spin di alcuni centri risultano utili per applicazioni quantistiche.

La comunità scientifica ha studiato le proprietà ottiche e di spin dei centri di colore. Il centro azoto–vacanza, o NV, comprende un atomo di azoto accanto a un sito del reticolo del carbonio vuoto. Il suo stato fondamentale di spin 1 e i favorevoli tempi di coerenza, da condizioni criogeniche alla temperatura ambiente, lo rendono particolarmente interessante.

Nel dicembre 2023 i fisici del City College of New York (CCNY) hanno presentato una tecnica che potrebbe aumentare la capacità di archiviazione ottica nei diamanti. Si trattava di un risultato di laboratorio, non di un dispositivo commerciale già pronto.

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

Lo studio “Reversible Optical Data Storage below the Diffraction Limit” sfrutta il multiplexing spettrale. Variando leggermente la lunghezza d’onda del laser, si possono modificare selettivamente gli stati di carica di diversi centri NV che condividono lo stesso volume limitato dalla diffrazione. Diventa così possibile scrivere, cancellare e riscrivere immagini o dati distinti nella medesima regione microscopica. Il controllo riguarda specifici centri di difetto, non qualsiasi atomo ordinario trasformato arbitrariamente in memoria.

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. 

I ricercatori hanno descritto così il risultato:

“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?

La ricerca indica una possibile strada per memorizzare più dati in uno spazio limitato. La crescita dei dati prodotti e delle loro copie rende importanti soluzioni più dense. Per passare dall’esperimento a un impiego su vasta scala resta però necessario ulteriore sviluppo.

Per illustrare il contesto, l’articolo citava statistiche di settore raccolte da altre fonti: circa 64 zettabyte di dati digitali e l’affermazione che il 90% dei dati fosse stato creato nei due anni precedenti. Riportava inoltre una previsione per il 2025 di 150–175 zettabyte, di cui 90 attribuiti all’IoT. Sono stime e previsioni storiche con date e definizioni differenti, non una misura attuale e uniforme di tutti i dati unici conservati. Nel sistema decimale un zettabyte equivale a mille miliardi, cioè 10^12, di gigabyte.

Se il controllo dei centri di colore diventasse una tecnologia pratica, potrebbe permettere di conservare più dati nello stesso volume fisico. Potrebbe quindi rispondere alla domanda di maggiore capacità, senza implicare che si crei nuovo spazio fisico senza alcuno sforzo ingegneristico.

Come esempi della domanda, il testo originale riportava vecchie statistiche di settore: 4 petabyte al giorno, 18 data center e 40 milioni di piedi quadrati per Facebook; 3,5 miliardi di ricerche quotidiane su Google; oltre 65 miliardi di messaggi WhatsApp al giorno; e circa 2,5×10^18 byte quotidiani prodotti dagli utenti di Internet. Queste cifre non vanno intese come dati attuali o riferiti tutti allo stesso anno. Un petabyte equivale, nel sistema decimale, a un milione di gigabyte. Gli esempi illustrano la continua domanda di archiviazione.

Il metodo del CCNY potrebbe avere un impatto importante se fosse reso affidabile ed economicamente sostenibile su vasta scala.

Ricerche precedenti sui singoli centri germanio–vacanza nel diamante

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.

Lo studio ha dimostrato l’emissione di singoli fotoni da centri GeV, costituiti da germanio e una vacanza. I ricercatori li hanno prodotti tramite impiantazione ionica e incorporando germanio durante la crescita del cristallo. Si trattava di sorgenti luminose riproducibili per l’ottica quantistica, non della dimostrazione di un dispositivo di archiviazione di massa.

Un annuncio del 2022 dell’Università di Saga e di Adamant Namiki Precision Jewelry descriveva un metodo per produrre wafer di diamante ultrapuro di circa 2 pollici, indicati come circa 55 mm. Limitare le impurità di azoto a non più di 3 ppb era importante per le applicazioni quantistiche.

L’azienda paragonava la capacità teorica di memoria quantistica del wafer a un miliardo di dischi Blu-ray. Assumendo 25 GB per disco, il confronto corrisponde a 25 exabyte; non era la dimostrazione di aver scritto e riletto tale quantità su un intero wafer. I centri NV possono essere qubit di difetto basati sullo spin elettronico, non qubit superconduttori: si tratta di piattaforme quantistiche differenti.

Adamant Namiki Precision Jewelry, poi Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry ha assunto il nome Orbray Co., Ltd. dal 1° gennaio 2023. La sua gamma comprende componenti di precisione in materiali preziosi e duri, componenti in fibra ottica e piccoli motori. Le applicazioni includono comunicazioni, semiconduttori, macchinari industriali, robotica, automobili, azionamenti ottici e apparecchiature audio.

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

Aziende attive nella tecnologia dei wafer di diamante

I grandi wafer di diamante ultrapuro di Orbray possono offrire una base per la ricerca sulle memorie quantistiche. Altre aziende producono materiali diamantati per ottica, gestione termica ed elettronica. Tali competenze potrebbero contribuire in futuro alla ricerca sull’archiviazione, ma non dimostrano da sole l’esistenza di prodotti di memoria equivalenti e funzionanti.

#1. Stanford Advanced Materials

Stanford Advanced Materials offre wafer di diamante CVD, ottenuti mediante deposizione chimica da fase vapore. L’azienda ne descrive le proprietà ottiche, termiche, fisiche e chimiche: ampio intervallo di trasmissione dall’ultravioletto ai terahertz e applicazioni ai raggi X, nell’infrarosso e nelle microonde. Le prestazioni dipendono dal materiale e dalla frequenza considerati.

I wafer di diamante CVD presentano proprietà difficili da ottenere nei comuni materiali ottici: possono gestire elevati apporti energetici, basse perdite dielettriche, elevato guadagno Raman, ridotta distorsione del fascio e resistenza all’erosione.

I wafer CVD di Stanford Advanced Materials sono destinati anche ai settori aerospaziale e della difesa. La loro conducibilità termica è utile per componenti elettronici ad alta potenza o frequenza, miniaturizzati e fortemente integrati.

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

#2. AKHAN Semiconductors

AKHAN Semiconductor ha annunciato nel luglio 2021 la fabbricazione di tecnologia diamantata compatibile con CMOS su wafer da 300 mm. L’obiettivo era migliorare gestione della potenza, dissipazione del calore e durata dell’elettronica. L’annuncio non dimostrava un diamante monocristallino puro da 300 mm capace di archiviare dati. Secondo il fondatore Adam Khan, i wafer diamantati di AKHAN potevano favorire dispositivi più potenti e durevoli.

La società privata AKHAN, con sede in Illinois e attiva nello sviluppo della tecnologia dall’inizio degli anni 2010, ha annunciato un finanziamento di 20 milioni di dollari il 17 febbraio 2022. È un annuncio storico, non un’indicazione dell’ultimo finanziamento o della proprietà attuale.

Altre soluzioni per l’archiviazione dei dati

I centri di colore nel diamante offrono una possibile via all’archiviazione ottica, ma l’esperimento del 2023 non costituiva un sistema commerciale su vasta scala.

Intel (INTC ) ha sviluppato diverse tecnologie di archiviazione. Nel contesto del 2023 occorre distinguere il loro contributo tecnico dai cambiamenti intervenuti nelle attività dell’azienda.

#1. Tecnologie di archiviazione Intel

La tecnologia Optane mirava a ridurre i colli di bottiglia tra memoria e archiviazione. I prodotti 3D NAND offrivano capacità e affidabilità, mentre EDSFF è uno standard di formato per SSD. Intel aveva però avviato la chiusura di Optane nel 2022; la prima fase della vendita di NAND e SSD a SK hynix si era conclusa nel dicembre 2021, con il passaggio dell’attività SSD a Solidigm. Non si trattava quindi di un portafoglio Intel invariato e interamente nuovo nel 2023.

Il fatturato 2022 di Intel è stato di 63,1 miliardi di dollari, in calo di 16,0 miliardi, pari al 20%, rispetto al 2021. L’azienda ha speso 17,5 miliardi in ricerca e sviluppo e 24,8 miliardi in investimenti in capitale. Ha generato 15,4 miliardi di flussi di cassa operativi e un flusso di cassa libero rettificato negativo per 4,1 miliardi di dollari.

#2. Seagate

Seagate sviluppa sistemi per l’archiviazione di massa. Tra quelli descritti nel 2023 figurava Exos® CORVAULT™, un sistema a blocchi con capacità nell’ordine dei petabyte. Secondo l’azienda, l’elevata densità consente un migliore impiego dello spazio, cicli di vita più lunghi e minori consumi per petabyte, a seconda della configurazione e dell’utilizzo.

Le configurazioni CORVAULT descritte nel 2023 comprendevano fino a 2,5 PB per rack profondi 1,2 metri e 1,5 PB per rack profondi 1,0 metro. La misura di 1,2 metri indica la profondità, non l’altezza. Seagate annunciò la versione HAMR da 2,5 PB nel novembre 2023, con disponibilità prevista a fine dicembre. Il migliore utilizzo delle risorse può ridurre consumi e impatto di carbonio, ma i risultati dipendono da configurazione e carico di lavoro.

Nell’esercizio chiuso il 30 giugno 2023 Seagate ha registrato ricavi pari a 7,384 miliardi di dollari, contro 11,661 miliardi nell’esercizio precedente. Si tratta di ricavi annuali storici, non di utili.

Ricerche future sui centri di colore nel diamante

La ricerca continua a studiare stabilità spettrale, lunghezze d’onda e proprietà di spin dei centri di colore. La struttura di alcuni centri, come NV e GeV, è già identificata; l’origine di altri segnali ottici resta oggetto di studio. Ulteriori ricerche possono migliorarne identificazione e controllo.

Wafer di diamante più grandi e di qualità elevata possono favorire la ricerca su memorie e dispositivi quantistici. La produzione del materiale e la dimostrazione di una memoria funzionante di grandissima capacità restano tuttavia risultati distinti.

Per i semiconduttori di nuova generazione, nel 2023 l’Università di Chiba ha presentato un metodo di taglio laser dei wafer di diamante. Si taglia un cristallo esistente, anziché farlo crescere con il laser. Secondo il resoconto della ricerca, il professor Hirofumi Hidai ha spiegato:

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

Il metodo permette di controllare la formazione e la propagazione delle fratture nel diamante lungo un piano cristallografico desiderato. Questo controllo rende possibile separare wafer regolari dal cristallo e interessa la lavorazione del materiale oltre alla singola applicazione elettronica.

Nell’aprile 2023 Amazon Web Services ha annunciato una collaborazione di ricerca con Element Six sui diamanti sintetici per reti quantistiche. L’obiettivo era sviluppare qubit di centri di colore che interagiscono con la luce, utilizzabili come memorie nei ripetitori quantistici. Possono contribuire a conservare e trasferire l’informazione portata dai fotoni: una sfida di comunicazione a lunga distanza più ampia della semplice riemissione della luce.

Nel resoconto Antia Lamas-Linares, responsabile dell’AWS Center for Quantum Networking, descriveva la sfida della scala globale:

“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.”

La ricerca sui centri di colore può favorire archiviazione, rilevamento e comunicazione quantistica. Non ogni progresso si tradurrà direttamente in una memoria di massa. La crescente domanda di capacità incentiva ricerca e investimenti, mentre per l’impiego su vasta scala restano da affrontare costi, affidabilità e condizioni operative.