Faseovergangsmaterialen die worden gebruikt in de nieuwste generatie smartphones kunnen leiden tot een hogere opslagcapaciteit en meer energie-efficiëntie. Gegevens worden geregistreerd door te schakelen tussen glasachtige en kristallijne materiaaltoestanden door een warmtepuls toe te passen. Echter, tot op heden is het niet mogelijk geweest om te bestuderen wat er tijdens dit proces op atomair niveau gebeurt.

In een paper gepubliceerd in de 14 juni-editie van het tijdschrift Wetenschap , een groep wetenschappers, geleid door onderzoekers van het Europese XFEL en de Universiteit van Duisburg-Essen in Duitsland en inclusief onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), beschrijven hoe ze de mogelijkheden van de röntgenvrije-elektronenlaser bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) gebruikten om aan te tonen dat een overgang in het chemische bindingsmechanisme de gegevensopslag in deze materialen mogelijk maakt. De resultaten kunnen worden gebruikt om faseovergangsmaterialen te optimaliseren voor snellere en efficiëntere technologieën voor gegevensopslag. Ook geven ze nieuwe inzichten in het proces van glasvorming.

"Met de toenemende hoeveelheid gegevens die we tegenwoordig opslaan op onze apparaten zoals smartphones, we hebben nieuwe technieken nodig om nog meer informatie op te slaan, " zei Stefan Hau-Riege van LLNL, een co-auteur van het artikel.

Faseovergangsmaterialen gemaakt van de elementen antimoon, tellurium en germanium kunnen worden gebruikt om steeds grotere hoeveelheden gegevens op te slaan, en doe dat snel en energiezuinig. Ze zijn gebruikt, bijvoorbeeld, in vervangingen voor flashdrives in de nieuwste generatie smartphones. Wanneer een elektrische of optische puls wordt toegepast om deze materialen plaatselijk te verwarmen, ze veranderen van een glazige naar een kristallijne toestand, en vice versa. Deze twee verschillende toestanden vertegenwoordigen de '0' en '1' van de binaire code die nodig is om informatie op te slaan. Echter, tot op heden is het niet mogelijk geweest om vast te stellen hoe deze toestandsveranderingen precies plaatsvinden op atomair niveau.

In een experiment bij de LCLS, het team gebruikte een techniek genaamd femtoseconde röntgendiffractie om atomaire veranderingen te bestuderen wanneer de materialen van toestand veranderen. In het experiment dat plaatsvond voordat het Europese XFEL operationeel was, een optische laser werd voor het eerst gebruikt om het materiaal te laten veranderen tussen kristallijne en glasachtige toestanden. Tijdens dit extreem snelle proces, de röntgenlaser werd gebruikt om beelden van de atomaire structuur te maken. Alleen röntgenvrije-elektronenlasers zoals LCLS of Europese XFEL produceren pulsen die kort en intens genoeg zijn om snapshots te maken van de atomaire veranderingen die plaatsvinden op zulke korte tijdsbestekken. De wetenschappers verzamelden meer dan 10, 000 afbeeldingen die licht werpen op de opeenvolging van atomaire veranderingen die optreden tijdens het proces.

Om informatie op te slaan met faseovergangsmaterialen, ze moeten snel worden afgekoeld om in een glasachtige toestand te komen zonder te kristalliseren. Ze moeten ook in deze glazige staat blijven zolang de gegevens worden opgeslagen. Dit betekent dat het kristallisatieproces erg traag moet zijn tot het bijna afwezig is, zoals bij gewoon glas het geval is. Bij hoge temperaturen, echter, hetzelfde materiaal moet zeer snel kunnen kristalliseren om de informatie te wissen. Dat een materiaal zich kan vormen als stabiel glas, maar tegelijkertijd erg onstabiel wordt bij verhoogde temperaturen, houdt onderzoekers al decennia voor een raadsel.

In hun experiment hebben de onderzoekers bestudeerden het snelle afkoelproces waarmee een glas wordt gevormd. Ze ontdekten dat wanneer de vloeistof voldoende ver onder de smelttemperatuur wordt afgekoeld, het ondergaat een structurele verandering om een ​​ander te vormen, vloeistof op lage temperatuur. Deze vloeistof bij lage temperatuur kan alleen op zeer korte tijdschalen worden waargenomen, voordat kristallisatie plaatsvindt. De twee verschillende vloeistoffen hadden niet alleen heel verschillende atomaire structuren, maar ook ander gedrag:de vloeistof bij hoge temperatuur heeft een hoge atomaire mobiliteit waardoor de atomen kunnen kristalliseren, d.w.z., in een overzichtelijke structuur te ordenen. Echter, wanneer de vloeistof onder een bepaalde temperatuur onder het kookpunt komt, sommige chemische bindingen worden sterker en stijver en kunnen de ongeordende atomaire structuur van het glas op zijn plaats houden. Het is alleen de rigide aard van deze chemische bindingen die de transformatie verhindert en - in het geval van geheugenapparaten met faseverandering - de informatie op zijn plaats beveiligt.

"De huidige technologie voor gegevensopslag heeft een schaallimiet bereikt, zodat nieuwe concepten nodig zijn om de hoeveelheden gegevens op te slaan die we in de toekomst zullen produceren, " zei Peter Zalden, een wetenschapper bij European XFEL en co-hoofdauteur van de studie. "Onze studie legt uit hoe het schakelproces in een veelbelovende nieuwe technologie tegelijkertijd snel en betrouwbaar kan zijn."

De resultaten helpen ook te begrijpen hoe andere klassen materialen een glas vormen. Soortgelijke experimenten zijn al gepland op het Europese XFEL, waarbij de femtoseconde-pulsen kort en intens genoeg zijn om snapshots van deze snelle processen vast te leggen.