DVD-skivor och Blu-ray-skivor innehåller så kallade fasförändringsmaterial som förvandlas från ett atomärt tillstånd till ett annat efter att ha träffats med pulser av laserljus, med data "inspelade" i dessa två atomära tillstånd. Använda ultrasnabba laserpulser som påskyndar dataregistreringsprocessen, Caltech-forskare antog en ny teknik, ultrasnabb elektronkristallografi (UEC), att direkt i fyra dimensioner visualisera de förändrade atomkonfigurationerna hos materialen som genomgår fasförändringarna. Genom att göra så, de upptäckte ett tidigare okänt mellanliggande atomärt tillstånd – ett som kan representera en oundviklig gräns för dataregistreringshastigheter.

Genom att belysa de grundläggande fysiska processerna som är involverade i datalagring, arbetet kan leda till bättre, snabbare datorminnessystem med större lagringskapacitet. Forskningen, gjort i Ahmed Zewails laboratorium, Linus Pauling professor i kemi och professor i fysik, kommer att publiceras i det tryckta numret av tidskriften den 28 juli ACS Nano .

När laserljuset interagerar med ett fasförändringsmaterial, dess atomstruktur ändras från ett ordnat kristallint arrangemang till ett mer oordnat, eller amorf, konfiguration. Dessa två tillstånd representerar 0:or och 1:or av digital data.

"I dag, nanosekundlasrar – lasrar som pulserar ljus med en miljarddels sekund – används för att spela in information på DVD-skivor och Blu-ray-skivor, genom att driva materialet från ett tillstånd till ett annat, " förklarar Giovanni Vanacore, en postdoktor och en författare om studien. Hastigheten med vilken data kan registreras bestäms både av laserns hastighet – dvs. av varaktigheten av varje "puls" av ljus - och hur snabbt materialet i sig kan växla från ett tillstånd till det andra.

Således, med en nanosekundlaser, "det snabbaste du kan registrera information är en informationsenhet, en 0 eller 1, varje nanosekund, säger Jianbo Hu, en postdoktor och uppsatsens första författare. "För att gå ännu snabbare, människor har börjat använda femtosekundlasrar, som potentiellt kan spela in en enhet var miljondels miljarddels sekund. Vi ville veta vad som faktiskt händer med materialet vid denna hastighet och om det finns en gräns för hur snabbt man kan gå från en strukturell fas till en annan."

För att studera detta, forskarna använde sin teknik, ultrasnabb elektronkristallografi. Tekniken, en ny utveckling – som skiljer sig från Zewails Nobelprisbelönta arbete inom femtokemi, den visuella studien av kemiska processer som inträffar på femtosekundsskalor - gjorde det möjligt för forskare att direkt observera den övergående atomära konfigurationen av ett prototypiskt fasförändringsmaterial, germanium telluride (GeTe), när den träffas av en femtosekundlaserpuls.

I UEC, ett prov av kristallint GeTe bombarderas med en femtosekundlaserpuls, följt av en puls av elektroner. Laserpulsen gör att atomstrukturen ändras från den kristallina till andra strukturer, och sedan slutligen till det amorfa tillståndet. Sedan, när elektronpulsen träffar provet, dess elektroner sprids i ett mönster som ger en bild av provets atomkonfiguration som en funktion av tiden.

Med denna teknik, forskarna kunde se direkt, för första gången, den strukturella förändringen i GeTe som orsakas av laserpulserna. Dock, de såg också något mer:en tidigare okänd mellanfas som uppträder under övergången från den kristallina till den amorfa konfigurationen. Eftersom att gå igenom mellanfasen tar ytterligare tid, forskarna tror att det representerar en fysisk gräns för hur snabbt den övergripande övergången kan ske - och för hur snabbt data kan registreras, oavsett vilka laserhastigheter som används.

"Även om det finns en laser snabbare än en femtosekundlaser, det kommer att finnas en gräns för hur snabbt denna övergång kan ske och information kan registreras, bara på grund av fysiken i dessa fasförändringsmaterial, " säger Vanacore. "Det är något som inte kan lösas tekniskt – det är grundläggande."

Trots att de avslöjade sådana gränser, forskningen kan en dag hjälpa utvecklingen av bättre datalagring för datorer, säger forskarna. Just nu, datorer lagrar vanligtvis information på flera sätt, bland dem det välkända slumpmässiga minnet (RAM) och läsminnet (ROM). BAGGE, som används för att köra programmen på din dator, kan spela in och skriva om information mycket snabbt via en elektrisk ström. Dock, informationen går förlorad när datorn stängs av. ROM-lagring, inklusive CD- och DVD-skivor, använder fasförändringsmaterial och lasrar för att lagra information. Även om ROM registrerar och läser data långsammare, informationen kan lagras i decennier.

Att hitta sätt att påskynda inspelningsprocessen av fasförändringsmaterial och förstå gränserna för denna hastighet kan leda till en ny typ av minne som utnyttjar det bästa av två världar.

Forskarna säger att deras nästa steg blir att använda UEC för att studera övergången av den amorfa atomstrukturen hos GeTe tillbaka till den kristallina fasen – jämförbart med fenomenet som uppstår när du raderar och sedan skriver om en DVD.

Även om dessa applikationer kan innebära spännande förändringar för framtida datorteknik, detta arbete är också mycket viktigt ur en grundläggande synvinkel, säger Zewail.

"Att förstå det grundläggande beteendet hos materialomvandling är vad vi är ute efter, och dessa nya tekniker som utvecklats vid Caltech har gjort det möjligt att visualisera sådant beteende i både rum och tid, " säger Zewail.