Abrindo Novos Caminhos: Como Manipular os ‘Centros de Cor’ dos Diamantes Pode Transformar o Armazenamento de Dados?

Os centros de cor em diamantes são algo que pesquisadores e a comunidade científica têm se interessado muito nos últimos tempos. Antes de aprofundar como eles podem ajudar a atender nossas crescentes necessidades de armazenamento, vamos entender rapidamente o que são esses centros de cor nos diamantes. 

O que são Centros de Cor?

Centros de cor são defeitos dentro da estrutura de ligações de um material. As ligações, neste caso, implicam atração de longa duração entre átomos ou íons dentro de uma molécula. A força que une os átomos ou íons pode ser forças eletrostáticas entre íons de carga oposta. Também pode originar‑se do compartilhamento de elétrons. 

Os defeitos dentro da estrutura de ligações podem se manifestar de diferentes formas, como lacunas, excitões, vacâncias ou impurezas. Excitões são simplesmente elétrons presos em estados excitados.  

Centros de cor vivem como pontos localizados no material onde as estruturas de ligação foram alteradas. A formação de centros de cor resulta na mudança da refratividade molar de um material. Contudo, no caso dos diamantes, os centros de cor se mostram úteis para aplicações quânticas. 

Mais importante, a comunidade científica tem investigado centros de cor nos últimos anos por suas propriedades ópticas aprimoradas. Eles descobriram que o centro nitrogênio‑vacância é particularmente útil por seu alto estado fundamental de spin com tempo de coerência de spin favorável de criogênico a temperatura ambiente. 

Recentemente, os físicos do City College of New York (CCNY) desenvolveram uma técnica que pode potencialmente fortalecer e expandir a capacidade de armazenamento de dados em diamantes. 

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Avanço no Armazenamento Óptico de Dados: Centros de Cor em Diamantes e uma Descoberta Científica

A pesquisa, intitulada “Armazenamento Óptico Reversível abaixo do Limite de Difração”, gira em torno da tecnologia de multiplexação do armazenamento no domínio espectral. Ela implica a possibilidade de armazenar muitas imagens diferentes no mesmo ponto do diamante. Tudo o que se precisa é usar um laser de cor marginalmente diferente. Consequentemente, isso resultaria no armazenamento de informações diversas em átomos diferentes que compartilham o mesmo ponto microscópico. 

De acordo com Tom Delord, pesquisador pós‑doutoral no CCNY, o método pode encontrar seu caminho “para aplicações de computação” que exigem “armazenamento de alta capacidade”.

Para alcançar o que conseguiu até agora, os cientistas do CCNY tiveram que controlar a carga elétrica dos centros de cor. Eles fizeram isso usando um laser de banda estreita e condições criogênicas com grande precisão. Vale mencionar aqui que criogenia é o estudo científico de materiais e seu comportamento em temperaturas extremamente baixas. 

Segundo os pesquisadores, o método os ajudou a:

“Escrever e ler minúscuos bits de dados em um nível muito mais fino do que era possível anteriormente, até um único átomo.” 

Por que o Avanço é Importante?

Essencialmente, a pesquisa nos mostra o caminho para armazenar mais dados em um espaço finito. Isso é cada vez mais importante, pois a pesquisa e os desenvolvimentos relacionados são altamente cruciais para a nossa era. A urgência desses desenvolvimentos é sublinhada pelo fato de que o volume de dados que precisamos armazenar tem aumentado exponencialmente a cada dia.

No contexto, de acordo com a pesquisa mais recente, existem 64 zettabytes de dados no mundo puramente em forma digital, onde um zettabyte equivale a um trilhão de gigabytes. Notavelmente, 90% dos dados globais foram criados nos últimos dois anos. Estima‑se que até 2025, o volume global de dados aumentará para entre 150‑175 zettabytes, com dispositivos IoT sozinhos responsáveis por 90 zettabytes desses dados.

Dado esse aumento impressionante na criação de dados, a solução desenvolvida ao manipular centros de cor em diamantes pode ajudar a armazenar mais dados sem esforço, resultando em uma expansão significativa do espaço físico de armazenamento. Esse avanço é oportuno, considerando a crescente necessidade de espaço físico de armazenamento substancial em vários setores.

Por exemplo, o Facebook gera 4 petabytes de dados por dia, onde 1 petabyte equivale a 1 milhão de gigabytes de dados. Para suportar isso, o Facebook possui e opera 18 centros de dados globalmente, abrangendo 40 milhões de pés quadrados de espaço. Ainda assim, o Facebook representa apenas um dos gigantes da tecnologia que lidam com volumes massivos de dados. O motor de busca do Google processa 3,5 bilhões de consultas diárias, usuários do WhatsApp trocam mais de 65 bilhões de mensagens por dia, e usuários da internet ao redor do mundo geram quase 2,5 quintilhões de bytes de dados a cada dia. Isso evidencia uma demanda incessante por armazenamento, armazenamento e mais armazenamento.

Indubitavelmente, a informação do CCNY com centros de cor em diamantes seria revolucionária quando escalada. 

Pesquisas Anteriores sobre Centros de Cor de Vacância de Germânio em Diamante

Pesquisas semelhantes sobre centros de cor em diamantes foram conduzidas anteriormente também. O estudo publicado em 2015, por exemplo, ajudou a entender os defeitos fluorescentes de tamanho atômico em diamantes como uma plataforma de estado sólido promissora para criptografia quântica e processamento de informação quântica, servindo como passo fundamental para estudos subsequentes nessa área.

A pesquisa testou a viabilidade de usar fontes de fótons únicos com alta intensidade e métodos de fabricação reproduzíveis para esse propósito. O estudo observou um novo centro de cor em diamante, composto de germânio e uma vacância, que os pesquisadores denominaram centro GeV. 

Outra pesquisa, publicada em 2022, conduzida por pesquisadores da Saga University e da Adamant Namiki Precision Jewelry, levou ao desenvolvimento de um novo método para fabricar wafers de diamante de ultra‑alta pureza. Esses wafers de diamante medem 5 cm de diâmetro. 

Com sua densidade de dados, esses wafers podem armazenar o equivalente a um bilhão de discos Blu‑ray. Para colocar isso em perspectiva, um disco Blu‑ray típico pode armazenar até 25 GB de dados. Portanto, um bilhão de discos Blu‑ray equivaleria a impressionantes 25 exabytes de dados. Ao alcançar esse feito, a pesquisa utilizou um centro nitrogênio‑vacância para armazenar dados na forma de bits quânticos supercondutores (qubits).

Mais sobre Adamant Namiki Precision Jewelry ou Orbray

A Adamant Namiki Precision Jewelry mudou seu nome para Orbray Co., Ltd., efetivo a partir de 1º de janeiro de 2023. A empresa possui uma ampla gama de produtos, incluindo joias de precisão, componentes de fibra óptica e pequenos motores. Por aplicação, a empresa atende aos campos de comunicação de informação, semicondutores, máquinas industriais, robôs, automóveis, dispositivos de acionamento óptico, produção de áudio e muito mais. 

Fundada em 1939 e com sede em Tóquio, Japão, a Orbray é uma empresa de capital privado. 

Empresas que Trabalham na Tecnologia de Wafers de Diamante

Embora a Orbray seja conhecida por fabricar wafers de diamante especificamente para armazenamento, há poucas outras no setor que desenvolveram uma solução de armazenamento comparável. Ainda assim, vale notar que muitas outras empresas produzem wafers de diamante para diversos outros propósitos. Isso merece atenção, pois essas empresas podem também expandir para soluções de armazenamento no futuro próximo, dado seu conhecimento existente da tecnologia fundamental.

#1. Stanford Advanced Materials

Outra empresa renomada pela fabricação de wafers de diamante é a Stanford Advanced Materials. Eles oferecem um produto conhecido como Wafer de Diamante CVD, notado por suas propriedades ópticas e térmicas de alto nível. Além disso, eles afirmam que esses wafers de diamante apresentam excelentes propriedades físicas e químicas. Notavelmente, eles apresentam uma faixa quase contínua de transparência óptica do UV ao THz, tornando‑os compatíveis com múltiplas faixas, incluindo raios X, ultravioleta, infravermelho, micro‑ondas e mais.

Wafers de diamante CVD possuem muitas propriedades que são quase impossíveis de alcançar em materiais ópticos gerais. Por exemplo, são capazes de desempenhar papéis cruciais em alta energia de entrada, baixa perda dielétrica, alto ganho Raman, baixa distorção de feixe, resistência à erosão e outros aspectos. 

Os wafers CVD da Stanford atendem a muitas indústrias, incluindo aeroespacial, militar e outras. Eles são altamente eficientes em gerenciamento térmico, especialmente em componentes eletrônicos de alta potência, alta frequência, miniaturizados e altamente integrados. 

Com sede em Lake Forest, Califórnia, Estados Unidos, a Stanford Advanced Materials está em operação desde 1994 e é uma empresa de capital privado. 

#2. AKHAN Semiconductors

Outra empresa de semicondutores que tem se destacado na fabricação de wafers de diamante é a Akhan Semiconductors. Em 2021, ela fabricou os primeiros wafers de diamante CMOS de 300 mm. A tecnologia foi desenvolvida principalmente para melhorar o manuseio de energia, a gestão térmica e a durabilidade de eletrônicos. Contudo, atende a uma variedade de indústrias e processos de fabricação. Segundo o CEO da Akhan Semiconductor, Adam Khan, os wafers de diamante da Akhan ajudarão a construir dispositivos mais poderosos e duráveis. 

Com sede em Illinois, Estados Unidos, a Akhan Semiconductor é uma empresa de capital privado fundada em 2012. De acordo com as notícias mais recentes disponíveis, a empresa levantou US$ 20 milhões em 17 de fevereiro de 2022. 

Outras Soluções de Armazenamento de Dados

Embora explorar centros de cor em diamantes seja definitivamente uma inovação revolucionária no campo de armazenamento de dados, a solução ainda não foi escalada. 

Um gigante tecnológico que continua experimentando novas e aprimoradas tecnologias de armazenamento de dados o tempo todo é a Intel. Ela possui múltiplas tecnologias inovadoras de armazenamento para oferecer. 

#1. Intel Storage Technologies 

Sua Tecnologia Optane, por exemplo, ajuda a eliminar gargalos de armazenamento em data centers, permitindo que usuários lidem com conjuntos de dados maiores e mais acessíveis. Seus produtos de tecnologia 3D NAND são conhecidos por sua capacidade e confiabilidade. Suas soluções SSD EDSFF ajudam a alcançar maior capacidade a custos menores. 

A receita da Intel em 2022 foi US$ 63,1 bilhões, queda de US$ 16,0 bilhões, ou 20%, em relação a 2021. A empresa investiu US$ 17,5 bilhões em P&D, fez investimentos de capital de US$ 24,8 bilhões e gerou US$ 15,4 bilhões em caixa das operações e $(4,1) bilhões de fluxo de caixa livre ajustado.

#2. Seagate

A Seagate é outro pioneiro no campo de armazenamento de dados, tendo recentemente introduzido uma inovação significativa. Sua oferta mais recente é o sistema de armazenamento em bloco de alta performance, eficiência e durabilidade de múltiplos petabytes conhecido como Exos® CORVAULT™. As características de alta densidade desse sistema garantem utilização ótima do espaço, ciclos de vida estendidos e consumo de energia reduzido por petabyte. 

Além disso, ele contribui para a redução da pegada de carbono dos data centers ao exigir menos recursos de computação e rede. Atualmente, a solução está disponível em duas variantes: a primeira variante oferece até 2,5 PB de armazenamento em racks de 1,2 metro, enquanto a segunda fornece 1,5 PB para racks de 1,0 metro de profundidade.

Para o exercício financeiro encerrado em 30 de junho de 2023, a Seagate registrou uma receita superior a US$ 7,3 bilhões, consideravelmente menor que a receita do ano anterior, que ultrapassou US$ 11,5 bilhões.

Pesquisas Futuras em Centros de Cor de Diamante

Muitas pesquisas estão em andamento para explorar e entender melhor os centros de cor em diamantes. Os pesquisadores são motivados por várias razões, notadamente porque os centros de cor exibem propriedades ópticas aprimoradas em termos de estabilidade espectral, comprimento de onda e propriedades de spin. Embora o diamante seja geralmente rico em centros ópticos, a origem exata desses centros muitas vezes permanece desconhecida. Espera‑se que pesquisas futuras forneçam, sem dúvida, mais insights. 

Os wafers de diamante foram um avanço significativo para o armazenamento de dados em grande quantidade. E é uma área onde muitas pesquisas estão sendo realizadas atualmente. Conhecer melhor os wafers de diamante ajudaria a melhorar suas propriedades como sistemas de armazenamento, sem dúvida. 

Embora para alimentar semicondutores de próxima geração, cientistas da Universidade de Chiba, no Japão, desenvolveram um método que usa lasers para criar wafers de diamante. Segundo Hirofumi Hidai, professor da Escola de Engenharia da Universidade de Chiba:

“O corte de diamante permite a produção de wafers de alta qualidade a baixo custo e é indispensável para fabricar dispositivos semicondutores.” 

Esse método recém‑desenvolvido é crucial por razões que vão além do uso do diamante como semicondutor. Ele ajuda a desenvolver mecanismos para controlar a formação de fissuras através dos diamantes, de modo que eles possam crescer ao longo de um plano desejado. 

Em abril deste ano, a Amazon Web Services fez uma colaboração com a subsidiária da De Beers, Element Six, para desenvolver diamantes sintéticos, que serão usados em distribuição de chaves quânticas. O que se destaca nessa parceria é o método, que envolve a criação de centros de cor em um diamante. Esses centros de cor absorverão fótons contendo informação quântica para reemití‑los posteriormente. 

Segundo Antia Lamas‑Linares, que lidera o AWS Center for Quantum Networking:

“Nós [Amazon] já conseguimos fazer algumas coisas em escalas relativamente pequenas, mas para realmente levar isso a uma escala global – a AWS é uma empresa global – há algumas coisas que precisam ser desenvolvidas.”

Para concluir, o mundo verá mais pesquisas voltadas ao aproveitamento dos centros de cor em diamantes. Nem todas ajudarão a melhorar o armazenamento de dados, mas muitas ajudarão. Dados são o combustível que move o nosso mundo moderno. É bastante natural que as empresas líderes invistam mais no futuro em soluções que ajudem a resolver as necessidades de armazenamento que crescem exponencialmente.