Fasförändringsmaterial som används i den senaste generationen smartphones kan leda till högre lagringskapacitet och mer energieffektivitet. Data registreras genom att växla mellan glasartade och kristallina materialtillstånd genom att applicera en värmepuls. Dock, hittills har det inte varit möjligt att studera vad som händer på atomnivå under denna process.

I ett papper publicerat i tidningen 14 juni Vetenskap , en grupp forskare, ledd av forskare från European XFEL och University of Duisburg-Essen i Tyskland och inklusive forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), beskriv hur de använde funktionerna hos röntgenfrielektronlasern vid Linac Coherent Light Source (LCLS) för att visa att en övergång i den kemiska bindningsmekanismen möjliggör datalagring i dessa material. Resultaten kan användas för att optimera fasförändringsmaterial för snabbare och mer effektiv datalagringsteknik. De ger också ny inblick i processen för glasbildning.

"Med den ökande mängden data som vi lagrar i våra enheter som smartphones idag, vi behöver nya tekniker för att lagra ännu mer information, "sa LLNL:s Stefan Hau-Riege, medförfattare till tidningen.

Fasförändringsmaterial tillverkade av elementen antimon, tellur och germanium kan användas för att lagra allt större mängder data, och gör det snabbt och energieffektivt. De är använda, till exempel, i ersättningar för flash -enheter i den senaste generationen smartphones. När en elektrisk eller optisk puls appliceras för att värma dessa material lokalt, de ändras från ett glasartat till ett kristallint tillstånd, och vice versa. Dessa två olika tillstånd representerar '0' och '1' i den binära koden som behövs för att lagra information. Dock, hittills har det inte varit möjligt att lösa hur exakt dessa tillståndsförändringar sker på atomnivå.

I ett experiment på LCLS, laget använde en teknik som kallas femtosekund-röntgendiffraktion för att studera atomförändringar när materialväxlingstillstånden. I experimentet som ägde rum innan European XFEL var operativt, en optisk laser användes först för att få materialet att växla mellan kristallina och glasartade tillstånd. Under denna extremt snabba process, röntgenlasern användes för att ta bilder av atomstrukturen. Endast röntgenfrielektronlasrar som LCLS eller europeisk XFEL producerar pulser som är tillräckligt korta och intensiva för att fånga ögonblicksbilder av atomförändringarna som sker på så korta tidsramar. Forskarna samlade in mer än 10, 000 bilder som belyser sekvensen av atomförändringar som uppstår under processen.

För att lagra information med fasförändringsmaterial, de måste kylas snabbt för att komma in i ett glasartat tillstånd utan att kristallisera. De måste också stanna i detta glasartade tillstånd så länge data lagras. Detta innebär att kristalliseringsprocessen måste vara mycket långsam tills den nästan är frånvarande, som i vanligt glas. Vid höga temperaturer, dock, samma material måste kunna kristallisera mycket snabbt för att radera informationen. Att ett material kan bildas som stabilt glas men samtidigt blir väldigt instabilt vid förhöjda temperaturer har förbryllat forskare i årtionden.

I deras experiment, forskarna studerade den snabba kylningsprocessen genom vilken ett glas bildas. De fann att när vätskan kyls tillräckligt långt under smälttemperaturen, den genomgår en strukturell förändring för att bilda en annan, vätska med låg temperatur. Denna lågtemperaturvätska kan endast observeras på mycket korta tidsperioder, innan kristallisation sker. De två olika vätskorna hade inte bara mycket olika atomstrukturer, men också olika beteenden:Vätskan vid hög temperatur har en hög atomrörlighet som gör att atomerna kan kristallisera, d.v.s. att ordna i en välordnad struktur. Dock, när vätskan passerar under en viss temperatur under kokpunkten, vissa kemiska bindningar blir starkare och styvare och kan hålla glasets störda atomstruktur på plats. Det är bara dessa kemiska bindningars styva karaktär som förhindrar transformationen och-i fallet med fasändringsminnesenheter-säkrar informationen på plats.

"Nuvarande datalagringsteknik har nått en skalningsgräns så att nya koncept krävs för att lagra mängden data som vi kommer att producera i framtiden, "sa Peter Zalden, en forskare vid europeiska XFEL och medförfattare till studien. "Vår studie förklarar hur omkopplingsprocessen i en lovande ny teknik kan vara snabb och pålitlig samtidigt."

Resultaten hjälper också till att förstå hur andra materialklasser bildar ett glas. Liknande experiment är redan planerade på europeiska XFEL, där femtosekundpulserna är korta och intensiva nog för att fånga ögonblicksbilder av dessa snabba processer.