다이아몬드의 결점을 장기 삼차원 데이터 기억장치로 바꾸기

우리의 일상 생활에 필요한 데이터 저장의 양이 점점 커지고

 

현재 사용가능한 기술이 거의 한계점에 다다름에 따라서

 

우리는 새로운 데이터 저장 방법을 절실하게 필요로 하고 있다.

 

표준 자기 하드디스크(HDD)는 -아마도 당신의 노트북에 내장되어 있을-

 

최대 수 테라바이트를 저장하는 데 한계에 도달했다.

 

컴팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD), 블루레이 디스크 같은

 

표준 광학 디스크 기술은 2차원적 성격 때문에 한계가 있다.

 

-그것들은 한 평면에만 데이터를 저장할 수 있다.-

 

그리고 또한 빛의 파장에 기반한 소위 회절이라는 물리 법칙 때문에 한계가 있다.

 

그래서 빛을 아주 적은 양만큼 집중시키는 우리의 능력을 제한하고 있다.

 

 

그리고 기억 장치 그 자체의 수명도 고려해 봐야 한다.

 

우리가 일상 개인 생활에서 경험해봤듯이 HDD는 몇 년 지나면 이상하게 작동하거나 아예 동작을 멈춘다.

 

DVD나 비슷한 저장 매체는 수백년의 저장 수명을 갖고 있다고 광고되었지만

 

실제로는 다시쓰기가 안되는 디스크라도 수십년 정도로 낮아지며

 

다시쓰기가 가능한 디스크는 다시쓰기를 할 때마다 수명이 짧아진다.

 

 

더 나은 해결책이 없다면 우리는 현재 저장 장치가 한계에 다다름에 따라

 

재정적 그리고 기술적 재난을 맞게 된다.

 

어떻게 하면 우리는 오래동안 안전하고

 

그리고 다시 사용하고 재활용할 수 있는 방법으로 대용량의 데이터를 저장할 수 있을까?

 

 

우리 연구실은 지금 당신의 손가락에 끼고 있을 수도 있는

 

아마도 생각지도 못한 기억 소자로 실험을 하고 있다.- 바로 다이아몬드이다.

 

원자 수준에서 이 결정체는 극단적으로 질서 정연하다. - 그러나 때때로 결점도 생긴다.

 

우리는 이 결점들을 이용해 삼차원으로 정보를 저장하는게 가능한 방법을 찾고 있다.

 

 

작은 결점들에 집중하기

 

 

데이터 저장을 향상시키는 한 방법은 광학 저장 장치 쪽으로 진행되어 왔다.

 

그러나 여러개의 차원으로 그것을 확장한다.

 

데이터를 표면에 쓰는 대신에 부피로 데이터를 쓰는데 이것은 당신의 비트를 삼차원으로 만든다.

 

빛을 아주 작은 공간에 집중시키는 것이 물리적으로 불가능해서 여전히 데이터는 제한적이다.

 

그러나 지금은 데이터를 저장하는 데 추가적인 차원으로 접근할 수 있다.

 

어떤 방법은 빛을 편광시켜 데이터 저장을 위해 훨씬 많은 차원을 제공한다.

 

그러나 대부분의 이러한 방법은 다시쓰기가 불가능하다.

 

 

여기서 다이아몬드가 등장한다.

 

다이아모드의 질서있는 구조, 그러나 구멍과 두 개의 탄소 원자 대신에 질소가 있다.

 

 

다이아몬드는 잘 배열되어 있는 순수한 탄소 원자들로 여겨진다.

 

전자현미경으로 보면 그것은 보통 깨끗하게 배열된 삼차원의 격자처럼 보인다.

 

그러나 때때로 순서에 깨짐이 있고 탄소 원자가 없을 수도 있다.

 

이것이 소위 베이컨시(구멍, 빈자리-잘 모르겠음)이라고 알려져 있다.

 

다이아몬드를 더욱 오염시키면 때때로 질소 원자가 탄소원자를 대신해서 자리를 차지하게 된다.

 

이런 구멍과 질소 원자가 서로 이웃하면 생기는 합성된 결점을 질소 구멍 또는 NV 중심이라고 부른다.

 

이러한 결점은 자연 다이아몬드라 하더라도 어느정도 항상 존재한다.

 

NV 중심은 그것을 담고 있는 다이아몬드에 특징적인 붉은 색을 띠게한다.

 

 

이 결점은 현재 물리와 화학에서 커다란 영향을 갖고 있다.

 

연구자들은 그것을 이용해 단일 단백질의 독특한 핵 자기 공명 성질을 탐지하고 있다.

 

그리고 다양한 최첨단의 양자 역학 실험을 하는데 그것을 조사하고 있다.

 

 

질소 구멍 중심은 전자를 가두어 두는 경향이 있다.

 

그러나 전자는 레이저파에 의해 결점으로부터 강제로 빠져나갈 수 있다.

 

많은 연구자들은 결점들이 전자를 잡고 있을 때에만 그 결점을 흥미롭다고 여긴다.

 

그들에게도 그 결점이 전자를 방출할 수 있다는 사실이 문제점이다.

 

 

그러나 우리 연구소에서는 대신에 이러한 질소 구멍 중심을 잠재적인 장점으로 보고 있다.

 

우리는 각각의 구멍을 나노크기의 비트로 생각한다.

 

만약 그 결점이 여분의 전자를 갖고 있으면 그 비트는 일이다.

 

만약 여분의 전자가 없다면 비트는 영이다.

 

이 전자의 예/아니오, 켰다/껐다, 일/영의 성질은 NV 중심의 전하상태를,

 

다이아몬드를 장기 기억 매체로 사용할 때의 기본으로 변화시키는 문을 여는 것이다.

 

다이아몬드의 NV 중심이 비워있고(1) 정보를 쓸 수 있고(2) 지울수 있고(3) 다시 쓸수 있다(4)

 

결점을 장점으로 바꾸기

 

 

 

이전의 결점에 대한 실험들은 다이아몬드를 기억 장치 플랫폼으로 좋은 후보로 만드는 몇몇 성질을 보여주었다.

 

 

먼저 연구자들은 선택적으로 각각의 결점들의 전하상태를 변화시켜서

 

그 결점이 전자를 가두느냐 또는 아니냐를 가능하게 한다.

 

우리는 녹색 레이저파를 이용해 전자를 가두는 데 도움을 주었다.

 

그리고 아주 강한 빨간색 레이저파로 그 결점으로부터 전자를 방출시켰다.

 

약한 빨간색 레이저파는 전자가 가두어져 있는지 아닌지를 점검하는 데 도움을 주었다.

 

만약 완전한 어둠속에서 남겨둔다면 그 결점은 사실상 영원히 전하상태/방출상태를 유지할 수 있다.

 

NV 중심은 여러 수준에서 데이터를 부호화할 수 있다

 

우리의 방법은 여전히 회절이라는 한계가 있다.

 

그러나 우리가 다이아몬드 안의 어떠한 점에서도

 

결점을 전하를 띠게하거나 방출하게 할 수 있다는 의미에서 삼차원적이라고 할 수 있다.

 

우리는 또한 사차원의 일종도 제시한다.

 

결점이 아주 작고 그리고 우리의 레이저가 회절에 의해 제한되어 있지만

 

우리는 기술적으로 한번의 레이저 파로 많은 결점을 충전하거나 방전하고 있다.

 

한 지점에 레이저파의 지속시간을 변화시킴으로써

 

우리는 충전된 NV 중심의 수를 제어할 수 있고 결과적으로 여러 비트의 정보를 부호화할 수 있다.

 

 

어떤 사람은 이러한 응용을 위해 자연 다이아몬드를 사용할 수 있더라도

 

우리는 인공적으로 연구실에서 키운 다이아몬드를 사용한다.

 

이 방법으로 다이아몬드의 질소 구멍 중심들의 집중을 효율적으로 제어할 수 있다.

 

 

이 모든 발전은 현재의 DVD 기술에 비하여 비트 직접도의 관점에서 약 100배의 향상을 가져온다.

 

이것은 우리가 DVD에 있는 모든 정보를

 

그 공간의 1퍼센트만 차지하는 다이아몬드에 부호화할 수 있다는 의미이다.

 

 

Past just charge, to spin as well

 

 

만약 우리가 빛의 회절 한계를 극복할 수 있다면

 

우리는 저장 능력을 훨씬 향상시킬 수 있다. 우리는 이 앞에서 하나의 새로운 제안을 갖고 있다.

 

인간의 세포 우측은 초해상도 현미경으로 찍었음

 

 

질소 구멍 중심들은 또한 소위 초해상도 현미경관찰법을 실행해서

 

빛의 파장보다 훨씬 작은 물질들을 이미지화하는 데 사용되고 있다.

 

그러나 초해상도 기법은 그 결점을 충전 또는 방전시키는 같은 원리로 동작하기 때문에

 

그것은 부호화를 원하는 패턴에 비의도적인 변화를 가져온다.

 

그러므로 우리는 기억 저장 응용을 위해 있는 그대로 그것을 사용할 수는 없을 것이다.

 

그리고 우리는 읽기와 쓰기 단계 동안 어떡하더라도 이미 씌여진 데이터를 백업할 필요가 있다.

 

 

여기서 우리는 소위 ‘충전에서 회전으로’ (charge-to-spin) 전환이라고 부르는 생각을 제안한다;

 

우리는 일시적으로 그 결점의 주 질소 핵의 회전상태에 결점의 충전 상태를 부호화한다.

 

회전은 원소적 입자에서 기본적인 성질이다;

 

그것은 그 충전과 비슷한데 아주 작은 자석을 영구적으로 부착하고 있는 것으로 상상할 수 있다.

 

 

우리가 바라는 대로 정보를 읽고 쓰기 하기 위해 충전이 조정되는 동안

 

이미 씌여진 정보는 질소 회전 상태에서는 잘 보호된다.

 

일단 충전이 부호화되면 정보는 우리가 회전에서 충전 (spin-to-charge)이라고 부르는

 

또다른 메커니즘을 통해 질소 회전에서 충전 상태로 거꾸로 전환할 수 있다.

 

 

이러한 진전된 프로토콜 덕분에 다이아몬드의 저장 용량은

 

현존하는 기술이 성취할 수 있는 것보다 훨씬 뛰어날 것이다.

 

이것은 단지 시작이다, 그러나 이러한 초기 결과는

 

우리에게 완전히 새로운 방법의 대량의 데이터를 저장하는 가능성을 가져 온다.

 

우리는 이러한 아름다운 물리의 특성을 넓게 유용한 기술로 변화시키는 것을 기대하고 있다.

 

범돌컴 – 결점과 질소 구멍 중심은 같은 것으로 보아야 할 것 같습니다.

 

어려운 내용이라 제대로 번역 못한점 안타깝게 생각합니다.