Doorbraak: Hoe het Manipuleren van ‘Kleurcentra’ in Diamanten de Gegevensopslag Kan Transformeren?

Kleurcentra in diamanten zijn iets waar onderzoekers en de wetenschappelijke gemeenschap de afgelopen tijd veel belangstelling voor hebben gehad. Voordat we dieper ingaan op hoe ze kunnen helpen bij het voldoen aan onze groeiende opslagbehoeften, laten we eerst een kort begrip krijgen van wat deze kleurcentra in diamanten zijn. 

Wat zijn Kleurcentra?

Kleurcentra zijn defecten binnen de bindingsstructuur van een materiaal. De bindingen, in dit geval, duiden op een langdurige aantrekking tussen atomen of ionen binnen een molecuul. De kracht die de atomen of ionen bij elkaar houdt kan elektrostatische krachten zijn tussen tegenovergestelde geladen ionen. Het kan ook voortkomen uit het delen van elektronen. 

De defecten binnen de bindingsstructuur kunnen zich in verschillende vormen manifesteren, zoals gaten, excitonen, vacaturen of onzuiverheden. Excitonen zijn niets anders dan elektronen die vastzitten in een aangeslagen toestand. 

Kleurcentra bestaan als gelokaliseerde punten in het materiaal waar de bindingsstructuur is veranderd. De vorming van kleurcentra leidt tot een wijziging van de molaire brekingsindex van het materiaal. In het geval van diamanten blijken kleurcentra echter nuttig voor kwantumtoepassingen. 

Belangrijker nog, de wetenschappelijke gemeenschap heeft de afgelopen jaren onderzoeken uitgevoerd naar kleurcentra vanwege hun verbeterde optische eigenschappen. Ze ontdekten dat het stikstof‑vacature‑centrum bijzonder nuttig is vanwege zijn hoge spin‑grondtoestand met gunstige spin‑coherentie van cryogene tot kamertemperatuur. 

Recentelijk hebben de natuurkundigen van het City College of New York (CCNY) een techniek ontwikkeld die potentieel de gegevensopslagcapaciteit in diamanten kan versterken en uitbreiden. 

Klik hier voor de lijst van beste cloud computing bedrijven.

Doorbraak in Optische Gegevensopslag: Kleurcentra in Diamanten en een Wetenschappelijke Doorbraak

Het onderzoek, getiteld “Reversible Optical Data Storage (DTST ) below the Diffraction Limit,” draait om de technologie van multiplexing van opslag in het spectrale domein. Het impliceert de mogelijkheid om vele verschillende beelden op dezelfde plek in het diamant op te slaan. Alles wat daarvoor nodig is, is het gebruik van een laser met een iets andere kleur. Daardoor zou er diverse informatie opgeslagen kunnen worden in verschillende atomen die hetzelfde microscopische punt delen. 

Volgens Tom Delord, een postdoctoraal onderzoeker bij CCNY, is de methode in staat om “naar computerapplicaties” te vinden die “opslag met hoge capaciteit” vereisen.

Om te bereiken wat ze tot nu toe hebben bereikt, moesten de wetenschappers bij CCNY de elektrische lading van de kleurcentra beheersen. Ze deden dit door een smalbandlaser en cryogene omstandigheden zeer nauwkeurig te gebruiken. Het is hier relevant om te vermelden dat cryogenica de wetenschappelijke studie is van materialen en hun gedrag bij extreem lage temperaturen. 

Volgens de onderzoekers, heeft de methode hen geholpen:

“Kleine stukjes data schrijven en lezen op een veel fijner niveau dan voorheen mogelijk, tot op een enkel atoom.”

Waarom is de Doorbraak Belangrijk?

In wezen toont het onderzoek ons de manier om meer data op te slaan in een eindige ruimte. Dit wordt steeds belangrijker, aangezien het onderzoek en gerelateerde ontwikkelingen van groot belang zijn voor onze tijd. De urgentie van deze ontwikkelingen wordt onderstreept door het feit dat het volume aan data dat we moeten opslaan elke dag exponentieel toeneemt.

In context, volgens het nieuwste onderzoek, zijn er 64 zettabytes aan data in de wereld uitsluitend in digitale vorm, waarbij één zettabyte gelijk is aan een biljoen gigabytes. Opmerkelijk is dat 90 % van de werelddata in de afgelopen twee jaar is gecreëerd. Naar schatting zal het wereldwijde datavolume tegen 2025 stijgen tot ergens tussen de 150-175 zettabytes, waarbij IoT‑apparaten alleen al verantwoordelijk zijn voor 90 zettabytes van deze data.

Gezien deze verbluffende toename in datacreatie, kan de oplossing die ontwikkeld is door het manipuleren van diamantkleurcentra meer data opslaan zonder extra inspanning, wat resulteert in een aanzienlijke uitbreiding van de fysieke opslagruimte. Deze vooruitgang is tijdig, gezien de groeiende behoefte aan aanzienlijke fysieke opslagruimte in diverse sectoren.

Bijvoorbeeld, Facebook genereert 4 petabytes aan data per dag, waarbij 1 petabyte gelijk is aan 1 miljoen gigabytes data. Om dit te ondersteunen, bezit en exploiteert Facebook wereldwijd 18 datacenters, met een totale ruimte van 40 miljoen vierkante voet. Toch is Facebook slechts één van de techgiganten die worstelen met enorme datavolumes. De Google-zoekmachine verwerkt dagelijks 3,5 miljard zoekopdrachten, WhatsApp‑gebruikers wisselen meer dan 65 miljard berichten per dag uit, en internetgebruikers wereldwijd genereren bijna 2,5 quintiljoen bytes data elke dag. Dit onderstreept een onophoudelijke vraag naar opslag, opslag en nog meer opslag.

Ongetwijfeld zou de CCNY‑informatie met diamantkleurcentra een spelveranderende impact hebben wanneer deze op schaal wordt gebracht. 

Eerder Onderzoek naar Germanium‑Vacature Enkele Kleurcentra in Diamant

Vergelijkbaar onderzoek werd eerder ook uitgevoerd naar kleurcentra in diamanten. Het onderzoek gepubliceerd in 2015, bijvoorbeeld, hielp bij het begrijpen van atomaire fluorescerende defecten in diamanten als een veelbelovend solid‑state platform voor kwantumcryptografie en kwantuminformatieverwerking, en diende als een fundamentele stap voor daaropvolgend onderzoek op dit gebied.

Het onderzoek testte de haalbaarheid van het gebruik van enkel‑fotonbronnen met hoge intensiteit en reproduceerbare fabricagemethoden voor dit doel. Het onderzoek noteerde een nieuw kleurcentrum in diamant, samengesteld uit germanium en een vacuüm, dat de onderzoekers het GeV‑centrum noemden. 

Een ander onderzoek, gepubliceerd in 2022, uitgevoerd door onderzoekers van Saga University en Adamant Namiki Precision Jewelry, leidde tot de ontwikkeling van een nieuwe methode voor het vervaardigen van ultra‑hoge zuiverheidsdiamantwafers. Deze diamantwafers meten 5 cm in doorsnee. 

Met hun datadichtheid kunnen deze wafers het equivalent van een miljard Blu‑ray schijven opslaan. Ter illustratie: een typische Blu‑ray schijf kan tot 25 GB data opslaan. Dus een miljard Blu‑ray schijven komt overeen met een verbluffende 25 exabytes data. Bij het bereiken van deze prestatie gebruikte het onderzoek een stikstof‑vacature‑centrum om data op te slaan in de vorm van supergeleidende kwantumbits (qubits). 

Meer over Adamant Namiki Precision Jewelry of Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry heeft haar naam gewijzigd in Orbray Co., Ltd., met ingang van 1 januari 2023. Het bedrijf heeft een uitgebreid assortiment producten, waaronder precisie‑sieraden, vezeloptische componenten en kleine motoren. Door toepassing bedient het bedrijf de sectoren informatie‑communicatie, halfgeleiders, industriële machines, robots, auto’s, optische aandrijvingsapparaten, audio‑productie en nog veel meer. 

Opgericht in 1939 en gevestigd in Tokio, Japan, is Orbray een privé‑onderneming. 

Bedrijven die Werken aan de Diamant‑Wafertechnologie

Hoewel Orbray bekend staat om het vervaardigen van diamantwafers specifiek voor opslag, zijn er enkele andere bedrijven in de sector die een vergelijkbare opslagoplossing hebben ontwikkeld. Het is echter opmerkelijk dat veel andere bedrijven diamantwafers produceren voor diverse andere doeleinden. Dit verdient aandacht, aangezien deze bedrijven in de nabije toekomst mogelijk ook opslagoplossingen gaan aanbieden, gezien hun bestaande kennis van de fundamentele technologie.

#1. Stanford Advanced Materials

Een ander bedrijf dat bekend staat om het vervaardigen van diamantwafers is Stanford Advanced Materials. Ze bieden een product aan dat bekend staat als de CVD Diamond Wafer, gekenmerkt door hoogwaardige optische en thermische eigenschappen. Bovendien beweren ze dat deze diamantwafers uitstekende fysieke en chemische eigenschappen hebben. Opmerkelijk is dat ze een bijna continu band van optische transparantie van UV tot THz vertonen, waardoor ze compatibel zijn met meerdere bandbreedtes, waaronder röntgen, ultraviolet, infrarood, microgolf en meer.

CVD diamond wafers hebben veel eigenschappen die bijna onmogelijk te bereiken zijn voor algemene optische materialen. Bijvoorbeeld, ze kunnen cruciale rollen spelen bij hoge energie‑invoer, lage diëlektrische verliezen, hoge Raman‑versterking, lage bundelvervorming, erosiebestendigheid en andere aspecten. 

De CVD diamond wafers van Stanford bedienen vele industrieën, waaronder de lucht- en ruimtevaart, defensie en andere sectoren. Ze zijn zeer efficiënt in thermisch beheer, vooral bij hoge vermogens, hoge frequenties, miniaturiseerde en sterk geïntegreerde elektronische componenten. 

Met het hoofdkantoor in Lake Forest, Californië, Verenigde Staten, is Stanford Advanced Materials sinds 1994 actief en een privé‑onderneming. 

#2. AKHAN Semiconductors

Een ander halfgeleiderbedrijf dat zeer goed presteert in het vervaardigen van diamantwafers is Akhan Semiconductors. In 2021 produceerde het de eerste 300 mm complementaire metal‑oxide‑semiconductor (CMOS) diamantwafers. De technologie werd voornamelijk ontwikkeld om de vermogensafhandeling, warmtebeheer en duurzaamheid van elektronica te verbeteren. Het bedient echter een verscheidenheid aan industrieën en productieprocessen. Volgens de CEO van Akhan Semiconductor, Adam Khan, zullen de diamantwafers van Akhan helpen bij het bouwen van krachtigere en duurzamere apparaten. 

Met het hoofdkantoor in Illinois, Verenigde Staten, is Akhan Semiconductor een privé‑onderneming die in 2012 is opgericht. Volgens het laatst beschikbare nieuws heeft het bedrijf op 17 februari 2022 US$20 miljoen opgehaald. 

Andere Gegevensopslagoplossingen

Hoewel het verkennen van kleurcentra in diamanten zeker een baanbrekende innovatie is op het gebied van gegevensopslag, is de oplossing nog niet op schaal gebracht. 

Een technologische reus die voortdurend experimenteert met nieuwe en verbeterde gegevensopslagtechnologieën is Intel (INTC ). Het biedt meerdere innovatieve opslagtechnologieën aan. 

#1. Intel Storage Technologies 

De Optane‑technologie van Intel, bijvoorbeeld, helpt opslagknelpunten in datacenters te elimineren, waardoor gebruikers grotere, betaalbaardere datasets kunnen verwerken. De 3D‑NAND‑technologieproducten staan bekend om hun capaciteit en betrouwbaarheid. De EDSFF‑SSD‑oplossingen dragen bij aan een verbeterde capaciteit tegen lagere kosten. 

Intel’s 2022-omzet was $63,1 miljard, een daling van $16,0 miljard, of 20 %, ten opzichte van 2021. Het bedrijf investeerde $17,5 miljard in R&D, deed kapitaalinvesteringen van $24,8 miljard, en genereerde $15,4 miljard aan operationele cash en $(4,1) miljard aangepaste vrije cashflow.

#2. Seagate

Seagate is een andere koploper op het gebied van gegevensopslag en heeft recentelijk een belangrijke innovatie geïntroduceerd. Hun nieuwste aanbod is het hoogpresterende, efficiënte en duurzame multi‑petabyte capaciteits‑bloksysteem bekend als Exos® CORVAULT™. De hoge dichtheidskenmerken van dit systeem zorgen voor optimale ruimtebenutting, verlengde levensduur en verminderd energieverbruik per petabyte. 

Bovendien draagt het bij aan het verlagen van de CO₂‑voetafdruk van datacenters door minder computer‑ en netwerkbronnen te vereisen. Momenteel is de oplossing beschikbaar in twee varianten: de eerste variant biedt tot 2,5 PB opslag in 1,2‑meter rekken, terwijl de tweede 1,5 PB biedt voor 1,0‑meter diepe rekken.

Voor het boekjaar eindigend op 30 juni 2023 registreerde Seagate een omzet van meer dan US$7,3 miljard, wat aanzienlijk lager lag dan de omzet van meer dan US$11,5 miljard in het voorgaande jaar.

Toekomstig Onderzoek naar Diamantkleurcentra

Er wordt veel onderzoek gedaan om diamantkleurcentra beter te verkennen en te begrijpen. De onderzoekers zijn om diverse redenen gemotiveerd, met name omdat de kleurcentra verbeterde optische eigenschappen vertonen op het gebied van spectrale stabiliteit, golflengte en spin‑eigenschappen. Hoewel diamant over het algemeen rijk is aan optische centra, blijft de exacte oorsprong van deze centra vaak onbekend. Men verwacht dat toekomstig onderzoek ongetwijfeld verdere inzichten zal bieden. 

Diamantwafers zijn een belangrijke doorbraak geweest voor grootschalige gegevensopslag. Het is een gebied waar momenteel veel onderzoek naar wordt gedaan. Meer kennis over diamantwafers zou ongetwijfeld helpen hun eigenschappen als opslagsystemen te verbeteren.

Hoewel voor het aandrijven van volgende‑generatie halfgeleiders, hebben wetenschappers van de Chiba Universiteit in Japan een methode ontwikkeld die lasers gebruikt om diamantwafers te creëren. Volgens Hirofumi Hidai, een professor aan de Chiba University School of Engineering:

“Diamantsnijden maakt de productie van hoogwaardige wafers tegen lage kosten mogelijk en is onmisbaar voor het fabriceren van halfgeleiderapparaten.”

Deze nieuw ontwikkelde methode is cruciaal om redenen die verder gaan dan het gebruik van diamant als halfgeleider. Het helpt mechanismen te ontwikkelen om de vorming van scheuren in diamanten te beheersen zodat ze langs een gewenst vlak kunnen groeien. 

In april dit jaar heeft Amazon Web Services een samenwerking aangegaan met De Beers‑dochteronderneming Element Six om synthetische diamanten te ontwikkelen, die zullen worden gebruikt in kwantumsleutelverdeling. Wat opvalt in dit partnerschap is hun methode, die het creëren van kleurcentra in een diamant omvat. Deze kleurcentra zullen fotonen met kwantuminformatie absorberen om ze later opnieuw uit te zenden.

Volgens Antia Lamas-Linares, die het AWS Center for Quantum Networking leidt:

“We [Amazon] kunnen al enkele dingen op relatief kleine schaal doen, maar om het echt naar een wereldwijde schaal te brengen – AWS is een wereldwijd bedrijf – zijn er een paar zaken die ontwikkeld moeten worden.”

Kortom, de wereld zal meer onderzoek zien dat gericht is op het benutten van diamantkleurcentra. Niet al het onderzoek zal de gegevensopslag verbeteren, maar veel wel. Data is de brandstof waarop onze moderne wereld draait. Het is volkomen logisch dat toonaangevende bedrijven in de toekomst meer zullen investeren in oplossingen die helpen de exponentieel groeiende opslagbehoeften op te lossen.