Bedre hukommelse med hurtigere lasere

DVD'er og Blu-ray-diske indeholder såkaldte faseændringsmaterialer, der forvandles fra en atomtilstand til en anden efter at være blevet ramt med laserlysimpulser, med data "registreret" i disse to atomare tilstande. Ved at bruge ultrahurtige laserimpulser, der fremskynder dataoptagelsesprocessen, Caltech-forskere indførte en ny teknik, ultrahurtig elektronkrystallografi (UEC), at visualisere direkte i fire dimensioner de skiftende atomare konfigurationer af de materialer, der gennemgår faseændringerne. Derved, de opdagede en tidligere ukendt mellemliggende atomtilstand - en, der kan repræsentere en uundgåelig grænse for dataoptagelseshastigheder.

Ved at kaste lys over de grundlæggende fysiske processer involveret i datalagring, arbejdet kan føre til bedre, hurtigere computerhukommelsessystemer med større lagerkapacitet. Forskningen, udført i Ahmed Zewails laboratorium, Linus Pauling professor i kemi og professor i fysik, vil blive offentliggjort i det trykte nummer af tidsskriftet den 28. juli ACS Nano .

Når laserlyset interagerer med et faseskiftende materiale, dens atomare struktur ændres fra et ordnet krystallinsk arrangement til et mere uordnet, eller amorf, konfiguration. Disse to tilstande repræsenterer 0'er og 1'ere af digitale data.

"I dag, nanosekundlasere - lasere, der pulserer lys med en milliardtedel af et sekund - bruges til at optage information på dvd'er og Blu-ray-diske, ved at køre materialet fra en tilstand til en anden, " forklarer Giovanni Vanacore, en postdoc og en forfatter om undersøgelsen. Den hastighed, hvormed data kan optages, bestemmes både af laserens hastighed - dvs. efter varigheden af ​​hver "puls" af lys - og hvor hurtigt materialet selv kan skifte fra den ene tilstand til den anden.

Dermed, med en nanosekund laser, "det hurtigste du kan registrere information er en informationsenhed, en 0 eller 1, hvert nanosekund, " siger Jianbo Hu, en postdoc og den første forfatter til papiret. "For at gå endnu hurtigere, folk er begyndt at bruge femtosekundlasere, som potentielt kan optage en enhed hver en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Vi ville vide, hvad der rent faktisk sker med materialet ved denne hastighed, og om der er en grænse for, hvor hurtigt du kan gå fra en strukturel fase til en anden."

For at studere dette, forskerne brugte deres teknik, ultrahurtig elektronkrystallografi. Teknikken, en ny udvikling - forskellig fra Zewails nobelprisvindende arbejde inden for femtokemi, det visuelle studie af kemiske processer, der forekommer på femtosekund-skalaer - gjorde det muligt for forskere at observere direkte den skiftende atomare konfiguration af et prototypisk faseændringsmateriale, germanium telluride (GeTe), når den bliver ramt af en femtosekund laserpuls.

I UEC, en prøve af krystallinsk GeTe bombarderes med en femtosekund laserpuls, efterfulgt af en puls af elektroner. Laserpulsen får atomstrukturen til at ændre sig fra den krystallinske til andre strukturer, og derefter i sidste ende til den amorfe tilstand. Derefter, når elektronpulsen rammer prøven, dets elektroner spredes i et mønster, der giver et billede af prøvens atomkonfiguration som en funktion af tiden.

Med denne teknik, forskerne kunne se direkte, for første gang, det strukturelle skift i GeTe forårsaget af laserpulserne. Imidlertid, de så også noget mere:en hidtil ukendt mellemfase, der opstår under overgangen fra den krystallinske til den amorfe konfiguration. Fordi det tager ekstra tid at bevæge sig gennem mellemfasen, forskerne mener, at det repræsenterer en fysisk grænse for, hvor hurtigt den samlede overgang kan ske - og for hvor hurtigt data kan registreres, uanset de anvendte laserhastigheder.

"Selvom der er en laser hurtigere end en femtosekund laser, der vil være en grænse for, hvor hurtigt denne overgang kan ske, og information kan registreres, bare på grund af fysikken i disse faseændringsmaterialer, " siger Vanacore. "Det er noget, der ikke kan løses teknologisk - det er fundamentalt."

På trods af at afsløre sådanne grænser, forskningen kunne en dag hjælpe med udviklingen af ​​bedre datalagring til computere, siger forskerne. Lige nu, computere gemmer generelt information på flere måder, blandt dem den velkendte random-access memory (RAM) og read-only memory (ROM). VÆDDER, som bruges til at køre programmerne på din computer, kan optage og omskrive information meget hurtigt via en elektrisk strøm. Imidlertid, oplysningerne går tabt, når computeren slukkes. ROM lager, herunder cd'er og dvd'er, bruger faseændringsmaterialer og lasere til at gemme oplysninger. Selvom ROM optager og læser data langsommere, oplysningerne kan opbevares i årtier.

At finde måder at fremskynde optagelsesprocessen af ​​faseændringsmaterialer og forstå grænserne for denne hastighed kan føre til en ny type hukommelse, der udnytter det bedste fra begge verdener.

Forskerne siger, at deres næste skridt vil være at bruge UEC til at studere overgangen af ​​den amorfe atomare struktur af GeTe tilbage til den krystallinske fase - sammenlignelig med det fænomen, der opstår, når du sletter og derefter omskriver en DVD.

Selvom disse applikationer kan betyde spændende ændringer for fremtidige computerteknologier, dette arbejde er også meget vigtigt ud fra et grundlæggende synspunkt, Zewail siger.

"At forstå den fundamentale adfærd ved materialetransformation er det, vi leder efter, og disse nye teknikker udviklet hos Caltech har gjort det muligt at visualisere en sådan adfærd i både rum og tid, " siger Zewail.