Avancerede mikroskopteknikker kan bane vejen for forbedrede computerhukommelser

Enhver, der har set damp vælte op fra en kogende kedel eller set iskrystaller dannes på et vådt vindue om vinteren, har observeret, hvad forskerne kalder en faseovergang.

Faseovergange - såsom dem mellem faste stoffer, væsker og gasser - forekommer i alle mulige forskellige stoffer, og de kan ske hurtigt eller langsomt. Forskere planlægger at bruge faseovergange til at kunne kontrollere de elektroniske, strukturelle eller magnetiske egenskaber af forskellige materialer, når de gennemgår disse ændringer, såsom til brug i nye typer computerhukommelser.

I det nye studie har forskere for første gang været i stand til at se på en strukturel faseovergang i små detaljer på en meget hurtig tidsskala. Forskerne lavede røntgen-"fotografier", der er placeret mindre end en tiendedel af 1 milliardtedel af et sekund fra hinanden ved hjælp af en teknik kaldet nanodiffraktionsmikroskopi. "En typisk video kan afspilles med 30 billeder i sekundet, så dette er omtrent en slowmotion-video, der kan løse dynamikker, der er ekstremt hurtige," siger Haidan Wen, fysiker ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory.

Evnen til at være vidne til udviklingen af ​​materialeadfærd med en sådan præcision i tid og rum har afsløret usædvanlig adfærd i visse materialer, der gennemgår en faseændring, herunder mange magnetiske materialer.

"Vi er i stand til at zoome ind på en prøve i form af tid og rum på måder, vi aldrig har været i stand til før," sagde Youngjun Ahn, den første forfatter til undersøgelsen. Ahn er en tidligere kandidatstuderende i Argonne fra University of Wisconsin-Madison. Til dette arbejde arbejdede han tæt sammen med Wen. "Denne metode giver os et præcist billede af strukturelle ændringer i vores prøve, som er udfordrende at se med enhver anden metode," sagde Ahn.

Undersøgelsen brugte Hard X-Ray Nanoprobe drevet af Center for Nanoscale Materials (CNM) ved Advanced Photon Source (APS) i Argonne. APS og CNM er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

Ved at se på faseovergange i en jern-rhodiumforbindelse fandt forskerne en måde at se strukturen af ​​forbindelsen ændre sig mellem to magnetiske konfigurationer. Ændringen forårsager en udvidelse af atomnetværket, som er meget lille - men nok til at have betydelige konsekvenser for magnetismen.

Forskere kan bruge de magnetiske faser til at skabe en ny form for magnetisk lagring, der lover at være hurtigere og mere energieffektiv end konventionel datalagring. I alle magnetiske materialer kan manipulation af faseovergange omkring den kritiske temperatur, hvorved de forekommer, være nøglen til at kunne vende en informationslagrende bit mellem et "1" og et "0".

For at skabe magnetiske minder, der er kompakte, skal forskerne have en måde at manipulere dem præcist på. En måde at gøre det på er med en lokal temperaturændring.

Ved at opvarme en magnetisk bit kan forskerne potentielt have en måde at fremkalde den rekonfiguration, som de bruger til at kode information med mindre energiforbrug, hvilket er kendt som varmeassisteret magnetisk optagelse. "En af de ting, der er meget interessant ved dette særlige materiale - jern-rhodium - er, at det har en faseovergang ved en temperatur, der kunne bruges til den slags applikationer," sagde professor ved University of Wisconsin-Madison Paul Evans. "Men for at udføre den slags manipulationer, vi er interesserede i, har vi brug for et bedre 'kamera'. Derfor er det vigtigt at bruge denne nyudviklede teknik til at studere det."

"Nøgleaspektet af vores eksperiment er, at vi er i stand til at få adgang til de ekstremt små områder af rummet eller hurtige øjeblikke i tid med høj præcision, der giver os mulighed for at afsløre nanoskala dynamik, som ikke er blevet anerkendt før," tilføjede Wen, der udtænkte værket. .

Den kommende opgradering til APS vil have betydelige konsekvenser for yderligere eksperimenter, der visualiserer denne slags faseovergange. "Efter APS-opgraderingen," sagde Argonne røntgenforsker Martin Holt, "forventer vi at opnå højere rumlig opløsning, især ved at udnytte den forbedrede kohærens af røntgenstrålen. Vores udvikling af ultrahurtig tidsopløsning inden for denne type Røntgenmikroskopi er det, der hjælper os med at forstå årsagerne til de typer effekter, vi observerer. Dette er en unik egenskab, som den opgraderede APS kan tilbyde."

Et papir baseret på undersøgelsen, "Røntgen-nanodiffraktionsbilleddannelse afslører distinkt nanoskopisk dynamik i en ultrahurtig faseovergang," udkom i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Udforsk yderligere

Ny pels til kvantekatten:Sammenfiltring af mange atomer opdaget for første gang