Faseændringsmaterialer fra smartphones kan føre til højere datalagring, energieffektivitet

Faseændringsmaterialer, der bruges i den nyeste generation af smartphones, kan føre til højere lagerkapacitet og mere energieffektivitet. Data registreres ved at skifte mellem glasagtige og krystallinske materialetilstande ved at anvende en varmepuls. Imidlertid, til dato har det ikke været muligt at studere, hvad der sker på atomniveau under denne proces.

I et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet 14. juni Videnskab , en gruppe forskere, ledet af forskere fra European XFEL og University of Duisburg-Essen i Tyskland og herunder forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), beskrive, hvordan de brugte mulighederne for røntgenfri-elektronlaseren ved Linac Coherent Light Source (LCLS) til at vise, at en overgang i den kemiske bindingsmekanisme muliggør datalagring i disse materialer. Resultaterne kan bruges til at optimere faseændringsmaterialer til hurtigere og mere effektive datalagringsteknologier. De giver også ny indsigt i processen med glasdannelse.

"Med den stigende mængde data, vi gemmer på vores enheder, f.eks. Smartphones i dag, vi har brug for nye teknikker til at gemme endnu mere information, "sagde LLNLs Stefan Hau-Riege, medforfatter af papiret.

Faseændringsmaterialer fremstillet af elementerne antimon, tellur og germanium kan bruges til at lagre stadig større mængder data, og gør det hurtigt og energieffektivt. De bruges, for eksempel, i udskiftninger til flashdrev i den nyeste generation af smartphones. Når der påføres en elektrisk eller optisk puls for at opvarme disse materialer lokalt, de skifter fra en glasagtig til en krystallinsk tilstand, og omvendt. Disse to forskellige tilstande repræsenterer '0' og '1' i den binære kode, der er nødvendig for at gemme information. Imidlertid, til dato har det ikke været muligt at løse, hvordan disse tilstandsændringer præcist sker på atomniveau.

I et forsøg på LCLS, holdet brugte en teknik kaldet femtosekund røntgendiffraktion til at studere atomændringer, når materialet skifter tilstand. I forsøget, der fandt sted, inden europæisk XFEL var operationel, en optisk laser blev først brugt til at få materialet til at skifte mellem krystallinske og glasagtige tilstande. Under denne ekstremt hurtige proces, røntgenlaseren blev brugt til at tage billeder af atomstrukturen. Kun røntgenfri elektronelasere, såsom LCLS eller europæisk XFEL, producerer pulser, der er korte og intense nok til at fange øjebliksbilleder af atomændringerne, der sker på så korte tidsrammer. Forskerne indsamlede mere end 10, 000 billeder, der belyser sekvensen af ​​atomændringer, der opstår under processen.

For at gemme oplysninger med faseændringsmaterialer, de skal afkøles hurtigt for at komme i en glasagtig tilstand uden at krystallisere. De skal også forblive i denne glasagtige tilstand, så længe dataene gemmes. Dette betyder, at krystalliseringsprocessen skal være meget langsom til at være næsten fraværende, som det er tilfældet i almindeligt glas. Ved høje temperaturer, imidlertid, det samme materiale skal være i stand til at krystallisere meget hurtigt for at slette oplysningerne. At et materiale kan danne som stabilt glas, men samtidig bliver meget ustabilt ved forhøjede temperaturer, har forsket forskere i årtier.

I deres eksperiment, forskerne studerede den hurtige afkølingsproces, hvormed et glas dannes. De fandt ud af, at når væsken afkøles tilstrækkeligt langt under smeltetemperaturen, den gennemgår en strukturel ændring for at danne en anden, lavtemperatur væske. Denne lavtemperaturvæske kan kun observeres på meget korte tidsskalaer, før krystallisation finder sted. De to forskellige væsker havde ikke kun meget forskellige atomstrukturer, men også forskellig adfærd:Væsken ved høj temperatur har en høj atommobilitet, der gør det muligt for atomerne at krystallisere, dvs. at arrangere i en velordnet struktur. Imidlertid, når væsken passerer under en bestemt temperatur under kogepunktet, nogle kemiske bindinger bliver stærkere og mere stive og kan holde glassets uordnede atomstruktur på plads. Det er kun disse kemiske bindings stive karakter, der forhindrer transformation og-i tilfælde af faseændringshukommelsesenheder-sikrer informationen på plads.

"Den nuværende datalagringsteknologi har nået en skaleringsgrænse, så nye koncepter er nødvendige for at gemme de datamængder, vi vil producere i fremtiden, "sagde Peter Zalden, en videnskabsmand ved European XFEL og medlederforfatter af undersøgelsen. "Vores undersøgelse forklarer, hvordan omstillingsprocessen i en lovende ny teknologi kan være hurtig og pålidelig på samme tid."

Resultaterne hjælper også med at forstå, hvordan andre materialeklasser danner et glas. Lignende eksperimenter er allerede planlagt på europæisk XFEL, hvor femtosekundpulserne er korte og intense nok til at fange øjebliksbilleder af disse hurtige processer.