新たな地平を切り開く：ダイヤモンドの『カラーセンター』を操作してデータストレージを変革する方法

ダイヤモンドのカラーセンターは、研究者や科学界が近年大いに関心を寄せているものです。これらが増大するストレージ需要にどのように役立つかを掘り下げる前に、ダイヤモンドのカラーセンターが何であるかを簡単に理解しましょう。 

カラーセンターとは何か？

カラーセンターは、材料の結合構造内の欠陥です。この結合は、分子内の原子やイオン間の長期的な引力を意味します。原子やイオンを結びつける力は、正負のイオン間の静電力である場合もありますし、電子の共有による場合もあります。 

結合構造内の欠陥は、ホール、エキシトン、空孔、または不純物などさまざまな形で現れます。エキシトンとは、励起状態にとどまっている電子のことです。  

カラーセンターは、結合構造が変化した材料内の局所的な点として存在します。カラーセンターの形成により、材料のモル屈折率が変化します。ただし、ダイヤモンドの場合、カラーセンターは量子応用に有用です。 

さらに重要なのは、科学界が過去数年間にわたり調査してきたカラーセンターが、優れた光学特性を示すことです。研究者は、窒素空孔センターが低温から常温までの広範なスピンコヒーレンス時間を持つ高スピン基底状態で特に有用であることを発見しました。 

最近、ニューヨーク市立大学（CCNY）の物理学者らが手法を考案し、ダイヤモンドのデータストレージ容量を強化・拡大できる可能性を示しました。 

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光学データストレージの突破口：ダイヤモンドのカラーセンターと科学的ブレークスルー

「回折限界以下の可逆光学データストレージ」と題された研究は、スペクトル領域でのマルチプレックス化技術に基づいています。これは、同じダイヤモンド内の同一位置に多数の異なる画像を保存できる可能性を示唆しています。必要なのは、わずかに異なる色のレーザーを使用することだけです。その結果、同一の微小スポットを共有する異なる原子に多様な情報を格納できるようになります。 

CCNYのポスドク研究員トム・デルードによれば、この手法は「高容量ストレージ」を必要とする「コンピューティング応用」へと道を開く可能性があるとのことです。

これまでに達成した成果を実現するため、CCNYの科学者たちはカラーセンターの電荷を制御する必要がありました。彼らは狭帯域レーザーと極低温条件を極めて正確に使用してこれを実現しました。ここで言及すべきは、低温技術は極低温下での材料とその挙動を研究する科学分野であるという点です。 

研究者たちによれば、この手法は次のことを可能にしました：

「単一原子レベルまで、従来よりはるかに細かいレベルでデータの書き込みと読み出しができる」 

このブレークスルーが重要な理由は？

本質的に、この研究は有限の空間により多くのデータを保存する方法を示しています。これは、現代において極めて重要であり、研究と関連開発は我々の時代にとって非常に重要です。データ保存量が日々指数関数的に増加しているという事実が、これらの開発の緊急性を際立たせています。

文脈として、最新の研究によると、世界には純粋にデジタル形式で64ゼタバイトのデータが存在し、1ゼタバイトは1兆ギガバイトに相当します。驚くべきことに、世界のデータの90％は過去2年間に作成されました。2025年までに、世界のデータ量は150〜175ゼタバイトに急増すると推定されており、そのうちIoTデバイスだけで90ゼタバイトを占めています。

この驚異的なデータ生成の増加を考えると、ダイヤモンドのカラーセンターを操作して開発されたソリューションは、より多くのデータを余計な労力なしに保存でき、物理的なストレージ空間の大幅な拡張につながります。この進歩は、さまざまな分野で大規模な物理ストレージがますます必要とされる時期に適しています。

例えば、Facebookは1日あたり4ペタバイトのデータを生成しており、1ペタバイトは100万ギガバイトに相当します。これを支えるために、Facebookは世界中に18のデータセンターを所有・運用し、総面積は4000万平方フィートに及びます。しかし、Facebookは膨大なデータ量に直面するテックジャイアントの一例に過ぎません。Google検索エンジンは1日あたり35億件のクエリを処理し、WhatsAppユーザーは1日あたり650億件以上のメッセージを交換し、全世界のインターネットユーザーは毎日約2.5クインティリオンバイトのデータを生成しています。これは、ストレージへの絶え間ない需要を示しています。

疑いなく、CCNYのダイヤモンドカラーセンターに関する情報は、規模化すればゲームチェンジャーになるでしょう。 

ダイヤモンドにおけるゲルマニウム空孔単一カラーセンターに関する過去の研究

以前にもダイヤモンドのカラーセンターに関する類似の研究が行われました。たとえば、2015年に発表された研究は、ダイヤモンド内の原子サイズの蛍光欠陥を量子暗号や量子情報処理の有望な固体プラットフォームとして理解する手助けをし、以降の研究の基礎となりました。

この研究は、高強度で再現性のある単一光子源の実装可能性を検証し、製造方法を検討しました。研究者は、ゲルマニウムと空孔から構成される新しいカラーセンター（GeVセンター）を特定しました。 

別の研究は、2022年にSaga大学とAdamant Namiki Precision Jewelryの研究者によって実施され、超高純度ダイヤモンドウェーハの新製造方法を開発しました。これらのダイヤモンドウェーハは直径5センチメートルです。 

このデータ密度により、これらのウェーハは10億枚のブルーレイディスクに相当するデータを保存できます。参考までに、一般的なブルーレイディスクは最大25GBのデータを保存できます。したがって、10億枚のブルーレイは驚異的な25エクサバイトに相当します。この成果を達成するために、研究は窒素空孔センターを用いて超伝導量子ビット（キュービット）としてデータを保存しました。

Adamant Namiki Precision Jewelry または Orbray に関する詳細

Adamant Namiki Precision Jewelryは、2023年1月1日付でOrbray Co., Ltd.に社名を変更しました。同社は、精密ジュエリー、光ファイバー部品、小型モーターなど幅広い製品を取り扱っています。情報通信、半導体、産業機械、ロボット、自動車、光駆動装置、音響機器など多岐にわたる分野に応用されています。 

1939年に創業され、本社は東京にある非上場企業です。 

ダイヤモンドウェーハ技術に取り組む企業

Orbrayがストレージ向けのダイヤモンドウェーハ製造で知られる一方で、同様のストレージソリューションを開発した企業は少数です。しかし、多くの企業がさまざまな用途向けにダイヤモンドウェーハを製造しており、既存の基礎技術を活かして近い将来ストレージソリューションに参入する可能性があります。

#1. Stanford Advanced Materials

もう一つのダイヤモンドウェーハ製造で有名な企業はStanford Advanced Materialsです。同社は、光学的および熱的特性に優れたCVDダイヤモンドウェーハという製品を提供しています。さらに、これらのウェーハは優れた物理的・化学的特性を有すると主張しています。特筆すべきは、紫外線からテラヘルツまでほぼ連続した光学的透明帯域を持ち、X線、紫外線、赤外線、マイクロ波など複数のバンド範囲に対応できる点です。

CVDダイヤモンドウェーハは、一般的な光学材料ではほぼ不可能な多くの特性を備えています。例えば、高エネルギー入力、低誘電損失、高ラマン増幅、低ビーム歪み、耐食性などに重要な役割を果たします。 

StanfordのCVDダイヤモンドウェーハは、航空宇宙、軍事など多くの産業で利用されています。特に高出力・高周波・小型・高度に統合された電子部品において、熱管理に高い効率を発揮します。 

カリフォルニア州レイクフォレストに本社を置くStanford Advanced Materialsは1994年に設立され、非上場企業です。 

#2. AKHAN Semiconductors

ダイヤモンドウェーハ製造で非常に成功しているもう一つの半導体企業はAkhan Semiconductorsです。2021年に、初の300 mm相補型金属酸化膜（CMOS）ダイヤモンドウェーハを製造しました。この技術は主に、電力処理、熱管理、電子機器の耐久性向上を目的として開発されましたが、さまざまな産業や製造プロセスにも対応しています。Akhan SemiconductorのCEOであるAdam Khanによれば、Akhanのダイヤモンドウェーハは、より強力で耐久性の高いデバイスの構築に役立つと述べています。 

イリノイ州に本社を置くAkhan Semiconductorは、2012年に設立された非上場企業です。最新のニュースによると、同社は2022年2月17日にUS$20百万の資金調達を実施しました。 

その他のデータストレージソリューション

ダイヤモンドのカラーセンターを探求することは、データストレージ分野における画期的なイノベーションですが、まだ大規模化には至っていません。 

常に新しく改良されたデータストレージ技術を実験し続けているテクノロジー大手はIntel (INTC ) です。さまざまな革新的なストレージ技術を提供しています。 

#1. Intel Storage Technologies 

たとえば、Optaneテクノロジーは、データセンターのストレージボトルネックを解消し、ユーザーがより大きく、より手頃なデータセットを扱えるようにします。同社の3D NAND製品は容量と信頼性で知られ、EDSFF SSDソリューションは低コストで容量向上を実現します。