Dvd's en Blu-ray-schijven bevatten zogenaamde faseovergangsmaterialen die van de ene atomaire toestand naar de andere veranderen nadat ze zijn geraakt met pulsen van laserlicht, met gegevens "opgenomen" in die twee atomaire toestanden. Met behulp van ultrasnelle laserpulsen die het gegevensregistratieproces versnellen, Caltech-onderzoekers hebben een nieuwe techniek aangenomen, ultrasnelle elektronenkristallografie (UEC), om direct in vier dimensies de veranderende atomaire configuraties te visualiseren van de materialen die de faseveranderingen ondergaan. Daarbij, ze ontdekten een voorheen onbekende tussenliggende atomaire toestand - een die een onvermijdelijke limiet zou kunnen zijn voor de opnamesnelheid van gegevens.

Door licht te werpen op de fundamentele fysieke processen die betrokken zijn bij gegevensopslag, het werk kan leiden tot betere, snellere computergeheugensystemen met grotere opslagcapaciteit. Het onderzoek, gedaan in het laboratorium van Ahmed Zewail, Linus Pauling hoogleraar scheikunde en hoogleraar natuurkunde, zal worden gepubliceerd in het gedrukte nummer van 28 juli van het tijdschrift ACS Nano .

Wanneer het laserlicht interageert met een faseovergangsmateriaal, de atomaire structuur verandert van een geordende kristallijne ordening in een meer ongeordende, of amorf, configuratie. Deze twee toestanden vertegenwoordigen nullen en enen van digitale gegevens.

"Vandaag, nanoseconde lasers - lasers die licht pulseren met een miljardste van een seconde - worden gebruikt om informatie op dvd's en Blu-ray-schijven vast te leggen, door het materiaal van de ene staat naar de andere te drijven, " legt Giovanni Vanacore uit, een postdoctoraal wetenschapper en een auteur van het onderzoek. De snelheid waarmee gegevens kunnen worden vastgelegd, wordt zowel bepaald door de snelheid van de laser, dat wil zeggen:door de duur van elke "puls" van licht - en door hoe snel het materiaal zelf van de ene toestand naar de andere kan verschuiven.

Dus, met een nanoseconde laser, "de snelste die u informatie kunt opnemen is één informatie-eenheid, een 0 of 1, elke nanoseconde, " zegt Jianbo Hu, een postdoctoraal wetenschapper en de eerste auteur van het papier. "Om nog sneller te gaan, mensen zijn begonnen met het gebruik van femtosecondelasers, die mogelijk een eenheid per miljoenste van een miljardste van een seconde kan opnemen. We wilden weten wat er eigenlijk met het materiaal gebeurt bij deze snelheid en of er een grens is aan hoe snel je van de ene bouwfase naar de andere kunt gaan."

Om dit te bestuderen, de onderzoekers gebruikten hun techniek, ultrasnelle elektronenkristallografie. De techniek, een nieuwe ontwikkeling - anders dan Zewails Nobelprijswinnende werk in femtochemie, de visuele studie van chemische processen die plaatsvinden op femtoseconde schalen - stelde onderzoekers in staat om direct de overgang van atomaire configuratie van een prototypisch faseovergangsmateriaal te observeren, germaniumtelluride (GeTe), wanneer het wordt geraakt door een femtoseconde laserpuls.

In UEC, een monster kristallijn GeTe wordt gebombardeerd met een femtoseconde laserpuls, gevolgd door een puls van elektronen. De laserpuls zorgt ervoor dat de atomaire structuur verandert van de kristallijne naar andere structuren, en dan uiteindelijk naar de amorfe toestand. Vervolgens, wanneer de elektronenpuls het monster raakt, de elektronen verstrooien in een patroon dat een beeld geeft van de atomaire configuratie van het monster als functie van de tijd.

Met deze techniek, konden de onderzoekers direct zien, Voor de eerste keer, de structurele verschuiving in GeTe veroorzaakt door de laserpulsen. Echter, ze zagen ook iets meer:​​een voorheen onbekende tussenfase die verschijnt tijdens de overgang van de kristallijne naar de amorfe configuratie. Omdat het doorlopen van de tussenfase extra tijd kost, de onderzoekers zijn van mening dat het een fysieke limiet vertegenwoordigt voor hoe snel de algehele overgang kan plaatsvinden - en voor hoe snel gegevens kunnen worden vastgelegd, ongeacht de gebruikte lasersnelheden.

"Zelfs als er een laser is die sneller is dan een femtoseconde laser, er zal een limiet zijn aan hoe snel deze overgang kan plaatsvinden en informatie kan worden vastgelegd, alleen vanwege de fysica van deze faseovergangsmaterialen, "Zegt Vanacore. "Het is iets dat niet technologisch kan worden opgelost - het is fundamenteel."

Ondanks het onthullen van dergelijke limieten, het onderzoek zou op een dag kunnen helpen bij de ontwikkeling van betere gegevensopslag voor computers, zeggen de onderzoekers. Direct, computers slaan informatie over het algemeen op verschillende manieren op, waaronder het bekende random-access memory (RAM) en read-only memory (ROM). RAM, die wordt gebruikt om de programma's op uw computer uit te voeren, kan zeer snel informatie opnemen en herschrijven via een elektrische stroom. Echter, de informatie gaat verloren wanneer de computer wordt uitgeschakeld. ROM-opslag, inclusief cd's en dvd's, gebruikt faseovergangsmaterialen en lasers om informatie op te slaan. Hoewel ROM gegevens langzamer opneemt en leest, de informatie kan tientallen jaren worden bewaard.

Het vinden van manieren om het opnameproces van materialen met faseverandering te versnellen en inzicht te krijgen in de limieten van deze snelheid, zou kunnen leiden tot een nieuw type geheugen dat het beste van twee werelden combineert.

De onderzoekers zeggen dat hun volgende stap zal zijn om UEC te gebruiken om de overgang van de amorfe atomaire structuur van GeTe terug naar de kristallijne fase te bestuderen - vergelijkbaar met het fenomeen dat optreedt wanneer je een dvd wist en vervolgens herschrijft.

Hoewel deze toepassingen opwindende veranderingen kunnen betekenen voor toekomstige computertechnologieën, dit werk is ook erg belangrijk vanuit een fundamenteel oogpunt, Zegt Zewail.

"Het fundamentele gedrag van materiaaltransformatie begrijpen is waar we naar op zoek zijn, en deze nieuwe technieken die bij Caltech zijn ontwikkeld, hebben het mogelijk gemaakt om dergelijk gedrag in zowel ruimte als tijd te visualiseren, ' Zegt Zewail.