Banbrytande framsteg: Hur manipulation av diamantens ‘färgcentra’ kan förändra datalagring?

Färgcentra i diamanter är något som forskare och den vetenskapliga gemenskapen har varit mycket intresserade av under den senaste tiden. Innan vi går djupare in på hur de kan hjälpa till att möta våra växande lagringsbehov, låt oss snabbt förstå vad dessa färgcentra i diamanter är. 

Vad är färgcentra?

Färgcentra är defekter i bindningsstrukturen hos ett material. Bindningarna innebär i detta fall en långvarig attraktion mellan atomer eller joner inom en molekyl. Kraften som binder atomerna eller jonerna kan vara elektrostatiska krafter mellan motsatt laddade joner. Den kan också härröra från delning av elektroner. 

Defekterna i bindningsstrukturen kan manifestera sig i olika former, såsom hål, excitoner, vakans eller föroreningar. Excitoner är inget annat än elektroner som sitter fast i exciterade tillstånd.  

Färgcentra existerar som lokala punkter i materialet där bindningsstrukturerna har förändrats. Bildandet av färgcentra leder till en förändring av materialets molära brytningsindex. I fallet med diamanter visar sig färgcentra dock vara användbara för kvantapplikationer. 

Viktigare är att den vetenskapliga gemenskapen har undersökt färgcentra under de senaste åren för deras förbättrade optiska egenskaper. De fann att kväve‑vakanscentret var särskilt användbart för sitt höga spinngrundtillstånd med fördelaktig spinnkoherenstid från kryogena till rumstemperatur. 

Nyligen har fysikerna vid City College of New York (CCNY) utvecklat en teknik som potentiellt kan stärka och utöka datalagringskapaciteten i diamanter. 

Klicka här för listan över de bästa molnberäkningsföretagen.

Optiskt datalagringsgenombrott: färgcentra i diamanter och ett vetenskapligt genombrott

Forskningen, med titeln “Reversible Optical Data Storage (DTST ) below the Diffraction Limit”, bygger på teknologin för multiplexering av lagring i det spektrala området. Det innebär möjligheten att lagra många olika bilder på samma plats i diamanten. Allt som krävs är användning av en laser med en marginellt annan färg. Följaktligen skulle detta resultera i lagring av diverse information i olika atomer som delar samma mikroskopiska punkt. 

Enligt Tom Delord, postdoktoral forskningsassistent vid CCNY, kan metoden hitta sin väg “till datortillämpningar” som kräver “högkapacitetslagring”.

För att uppnå vad de hittills har gjort, var forskarna vid CCNY tvungna att kontrollera den elektriska laddningen hos färgcentra. De lyckades med detta genom att använda en smalbandig laser och kryogena förhållanden med hög precision. Det är relevant att nämna att kryogenik är den vetenskapliga studien av material och deras beteende vid extremt låga temperaturer. 

Enligt forskarna hjälpte metoden dem:

“Skriv och läs små bitar av data på en mycket finare nivå än tidigare möjligt, ner till en enskild atom.” 

Varför är genombrottet viktigt?

I grund och botten visar forskningen hur man kan lagra mer data i ett begränsat utrymme. Detta blir allt viktigare, eftersom forskningen och relaterade utvecklingar är mycket avgörande för vår tid. Brådskan i dessa utvecklingar understryks av det faktum att volymen av data vi behöver lagra har ökat exponentiellt varje dag.

I sammanhanget, enligt den senaste forskningen, finns det 64 zettabyte data i världen enbart i digital form, där en zettabyte är lika med en biljon gigabyte. Anmärkningsvärt är att 90 % av världens data skapades de senaste två åren. Det uppskattas att år 2025 kommer den globala datavolymen att skjuta upp till någonstans mellan 150-175 zettabytes, där IoT‑enheter ensamma står för 90 zettabyte av denna data.

Med tanke på denna häpnadsväckande ökning av dataskapande kan lösningen som utvecklats genom att manipulera diamantfärgcentra hjälpa till att lagra mer data utan extra ansträngning, vilket resulterar i en betydande expansion av det fysiska lagringsutrymmet. Detta framsteg är väl tajmat, med tanke på det ökande behovet av betydande fysiskt lagringsutrymme i olika sektorer.

Till exempel är Facebook ansvarigt för att generera 4 petabyte data per dag, där 1 petabyte motsvarar 1 miljon gigabyte data. För att stödja detta äger och driver Facebook 18 datacenter globalt, omfattande 40 miljoner kvadratfot utrymme. Ändå är Facebook bara ett av teknikjättarna som brottas med enorma datavolymer. Google‑sökmotorn bearbetar 3,5 miljarder förfrågningar dagligen, WhatsApp‑användare utbyter över 65 miljarder meddelanden per dag, och internetanvändare världen över genererar nästan 2,5 kvintiljon byte data varje dag. Detta understryker en oavbruten efterfrågan på lagring, lagring och mer lagring.

Utan tvekan skulle CCNY:s information med diamantfärgcentra vara banbrytande när den skalas upp. 

Tidigare forskning om germanium‑vakans enkla färgcentra i diamant

Liknande forskning har också genomförts tidigare på färgcentra i diamanter. Forskning publicerad 2015, till exempel, hjälpte till att förstå de atomstorleks fluorescerande defekterna i diamanter som en lovande solid‑state plattform för kvantkryptografi och kvantinformationsbehandling, och tjänade som ett grundläggande steg för efterföljande studier inom detta område.

Forskningen testade genomförbarheten att använda enkelfotonkällor med hög intensitet och reproducerbara tillverkningsmetoder för detta ändamål. Forskningen noterade ett nytt färgcentrum i diamant, bestående av germanium och en vakans, som forskarna benämnde GeV‑centret. 

En annan forskning, publicerad 2022, utförd av forskare vid Saga University och Adamant Namiki Precision Jewelry, ledde till utvecklingen av en ny metod för tillverkning av ultrahögrenhet diamantwafers. Dessa diamantwafers mäter 5 cm i diameter. 

Med deras datadensitet kan dessa wafers lagra motsvarande en miljard Blu‑ray‑skivor. För att sätta detta i perspektiv kan en typisk Blu‑ray‑skiva lagra upp till 25 GB data. Därmed skulle en miljard Blu‑ray‑skivor motsvara en häpnadsväckande 25 exabyte data. För att uppnå detta använde forskningen ett kväve‑vakanscentrum för att lagra data i form av supraledande kvantbitar (qubits).

Mer om Adamant Namiki Precision Jewelry eller Orbray

Adamant Namiki Precision Jewelry bytte namn till Orbray Co., Ltd., med verkan från 1 januari 2023. Företaget har ett omfattande sortiment av produkter, inklusive precisionssmycken, fiberoptiska komponenter och små motorer. Genom sina tillämpningar betjänar företaget områdena informationskommunikation, halvledare, industriella maskiner, robotar, bilar, optiska drivsystem, ljudproduktion och mycket mer. 

Grundat 1939 och med huvudkontor i Tokyo, Japan, är Orbray en privatägd företag. 

Företag som arbetar med diamantwafer‑teknik

Medan Orbray är känt för att tillverka diamantwafers specifikt för lagring, finns det några andra i branschen som har utvecklat en jämförbar lagringslösning. Det är dock anmärkningsvärt att många andra företag producerar diamantwafers för olika andra ändamål. Detta förtjänar uppmärksamhet eftersom dessa företag också kan expandera till lagringslösningar inom en snar framtid, med tanke på deras befintliga kunskap om den grundläggande teknologin.

#1. Stanford Advanced Materials

Ett annat företag känt för att tillverka diamantwafers är Stanford Advanced Materials. De erbjuder en produkt känd som CVD Diamond Wafer, känd för sina högkvalitativa optiska och termiska egenskaper. Dessutom påstår de att dessa diamantwafers har utmärkta fysiska och kemiska egenskaper. Anmärkningsvärt är att de har ett nästan kontinuerligt band av optisk transparens från UV till THz, vilket gör dem kompatibla med flera bandintervall, inklusive röntgen, ultraviolett, infraröd, mikrovågs och mer.

CVD diamond wafers har många egenskaper som är nästan omöjliga att uppnå för vanliga optiska material. Till exempel är de kapabla att spela avgörande roller i hög energiinmatning, låg dielektrisk förlust, hög Raman‑förstärkning, låg strålningsförvrängning, erosionstålighet och andra aspekter. 

Stanford’s CVD diamond wafers betjänar många industrier, inklusive flyg‑ och rymd, militär och andra. De är mycket effektiva i termisk hantering, särskilt i hög effekt, hög frekvens, miniatyriserade och starkt integrerade elektroniska komponenter. 

Med huvudkontor i Lake Forest, Kalifornien, USA, har Stanford Advanced Materials varit i drift sedan 1994 och är ett privatägt företag. 

#2. AKHAN Semiconductors

Ett annat halvledarföretag som presterar mycket bra i tillverkning av diamantwafers är Akhan Semiconductors. År 2021 tillverkade de de första 300 mm komplementära metalloxidsemiconductor (CMOS) diamantwafers. Teknologin utvecklades främst för att förbättra strömhantering, värmehantering och hållbarhet i elektronik. Dock betjänar den en mängd olika industrier och tillverkningsprocesser. Enligt VD för Akhan Semiconductor, Adam Khan,Akhan’s diamond wafers kommer att hjälpa till att bygga mer kraftfulla och hållbara enheter. 

Med huvudkontor i Illinois, USA, är Akhan Semiconductor ett privatägt företag som grundades 2012. Enligt de senaste tillgängliga nyheterna samlade företaget in 20 miljoner US‑dollar den 17 februari 2022. 

Andra datalagringslösningar

Att utforska färgcentra i diamanter är definitivt en banbrytande innovation inom datalagring, men lösningen har ännu inte skalats upp. 

En teknologijätte som ständigt experimenterar med nya och förbättrade datalagringsteknologier är Intel (INTC ). De har flera innovativa lagringsteknologier att erbjuda. 

#1. Intel Storage Technologies 

Dess Optane Technology, till exempel, hjälper till att eliminera flaskhalsar i datacenterlagring, vilket gör att användare kan hantera större, mer prisvärda datamängder. Dess 3D NAND‑teknologiprodukter är kända för sin kapacitet och pålitlighet. Dess EDSFF SSD‑lösningar hjälper till att uppnå förbättrad kapacitet till lägre kostnad. 

Intels 2022-inkomst var 63,1 miljarder dollar, ner 16,0 miljarder dollar, eller 20 %, från 2021. Företaget investerade 17,5 miljarder dollar i F&U, gjorde kapitalinvesteringar på 24,8 miljarder dollar och genererade 15,4 miljarder dollar i kassaflöde från verksamheten samt (4,1) miljarder dollar i justerat fritt kassaflöde.

#2. Seagate

Seagate är en annan pionjär inom datalagringsområdet och har nyligen introducerat en betydande innovation. Deras senaste erbjudande är det högpresterande, effektiva och hållbara multi‑petabyte kapacitets blocklagringssystemet känt som Exos® CORVAULT™. Systemets högdensitetsfunktioner säkerställer optimal rymdutnyttjande, förlängda livscykler och minskad energiförbrukning per petabyte. 

Dessutom bidrar den till att minska datacentrets koldioxidavtryck genom att kräva färre beräknings- och nätverksresurser. För närvarande finns lösningen i två varianter: den första varianten erbjuder upp till 2,5 PB lagring i 1,2‑meterrack, medan den andra ger 1,5 PB för 1,0‑meterrack.

För räkenskapsåret som avslutades den 30 juni 2023, registrerade Seagate en omsättning på mer än US$7.3 billion, vilket var avsevärt lägre än föregående års omsättning på mer än 11,5 miljarder US‑dollar.

Framtida forskning i diamantfärgcentra

Mycket forskning pågår för att utforska och förstå diamantfärgcentra bättre. Forskarna är motiverade av många skäl, särskilt eftersom färgcentra uppvisar förbättrade optiska egenskaper när det gäller spektral stabilitet, våglängd och spinnegenskaper. Även om diamanter generellt är rika på optiska centra, förblir den exakta ursprunget till dessa centra ofta okänt. Det förväntas att framtida forskning utan tvekan kommer att ge ytterligare insikter. 

Diamantwafers har varit ett betydande genombrott för lagring av stora datamängder. Och det är ett område där mycket forskning bedrivs för närvarande. Att känna till diamantwafers bättre skulle utan tvekan hjälpa till att förbättra deras egenskaper som lagringssystem. 

Även för att driva nästa generations halvledare har forskare vid Japans Chiba University utvecklat en metod som använder laser för att skapa diamantwafers. Enligt Hirofumi Hidai, professor vid Chiba University School of Engineering:

“Diamantskärning möjliggör produktion av högkvalitativa wafers till låg kostnad och är oumbärlig för att tillverka halvledarenheter.” 

Denna nyutvecklade metod är viktig av skäl som går bortom diamantens användning som halvledare. Den hjälper till att utveckla mekanismer för att kontrollera bildandet av sprickor genom diamanter så att de kan växa längs ett önskat plan.

I april i år har Amazon Web Services ingick ett samarbete med De Beers dotterbolag Element Six för att utveckla syntetiska diamanter, som kommer att användas i kvantnyckeldistribution. Det som utmärker detta partnerskap är deras metod, som innebär att skapa färgcentra i en diamant. Dessa färgcentra kommer att absorbera fotoner som innehåller kvantinformation för att återutsända dem senare.

Enligt Antia Lamas‑Linares, som leder AWS Center for Quantum Networking:

“Vi [Amazon] kan redan göra vissa saker på relativt liten skala, men för att verkligen ta det till en global skala – AWS är ett globalt företag – finns det några saker som behöver utvecklas.”

För att avsluta kommer världen att se mer forskning som syftar till att utnyttja diamantfärgcentra. Inte alla av dem kommer att förbättra datalagring, men många kommer det. Data är bränslet som vår moderna värld drivs av. Det är helt naturligt att ledande företag kommer att investera mer i framtiden i lösningar som hjälper till att lösa de exponentiellt växande lagringsbehoven.