I materiali a cambiamento di fase utilizzati negli smartphone di ultima generazione potrebbero portare a una maggiore capacità di archiviazione e a una maggiore efficienza energetica. I dati vengono registrati passando dallo stato di materiale vetroso a quello cristallino mediante l'applicazione di un impulso di calore. Però, ad oggi non è stato possibile studiare cosa accade a livello atomico durante questo processo.

In un articolo pubblicato nell'edizione del 14 giugno della rivista Scienza , un gruppo di scienziati, guidato da ricercatori dell'European XFEL e dell'Università di Duisburg-Essen in Germania e comprendente ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), descrivono come hanno utilizzato le capacità del laser a elettroni liberi a raggi X presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) per dimostrare che una transizione nel meccanismo di legame chimico consente l'archiviazione dei dati in questi materiali. I risultati possono essere utilizzati per ottimizzare i materiali a cambiamento di fase per tecnologie di archiviazione dati più veloci ed efficienti. Forniscono inoltre nuove informazioni sul processo di formazione del vetro.

"Con la crescente quantità di dati che memorizziamo oggi nei nostri dispositivi come gli smartphone, abbiamo bisogno di nuove tecniche per memorizzare ancora più informazioni, " ha detto Stefan Hau-Riege di LLNL, un coautore del documento.

Materiali a cambiamento di fase costituiti da elementi antimonio, tellurio e germanio possono essere utilizzati per memorizzare quantità sempre maggiori di dati, e farlo in modo rapido ed efficiente dal punto di vista energetico. sono usati, Per esempio, in sostituzione delle unità flash negli smartphone di ultima generazione. Quando viene applicato un impulso elettrico o ottico per riscaldare questi materiali localmente, cambiano da uno stato vetroso a uno cristallino, e viceversa. Questi due diversi stati rappresentano lo '0' e l''1' del codice binario necessario per memorizzare le informazioni. Però, ad oggi non è stato possibile risolvere esattamente come questi cambiamenti di stato avvengano a livello atomico.

In un esperimento al LCLS, il team ha utilizzato una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X a femtosecondi per studiare i cambiamenti atomici quando i materiali cambiano stato. Nell'esperimento che ha avuto luogo prima che l'XFEL europeo fosse operativo, un laser ottico è stato utilizzato per la prima volta per attivare il materiale per passare dallo stato cristallino a quello vetroso. Durante questo processo estremamente veloce, il laser a raggi X è stato utilizzato per acquisire immagini della struttura atomica. Solo i laser a elettroni liberi a raggi X come LCLS o XFEL europeo producono impulsi sufficientemente brevi e intensi da catturare istantanee dei cambiamenti atomici che si verificano in tempi così brevi. Gli scienziati hanno raccolto più di 10, 000 immagini che fanno luce sulla sequenza dei cambiamenti atomici che si verificano durante il processo.

Per memorizzare informazioni con materiali a cambiamento di fase, devono essere raffreddati rapidamente per entrare in uno stato vetroso senza cristallizzare. Devono inoltre rimanere in questo stato vitreo per tutto il tempo in cui i dati vengono archiviati. Ciò significa che il processo di cristallizzazione deve essere molto lento al punto da essere quasi assente, come nel caso del vetro normale. Ad alte temperature, però, lo stesso materiale deve poter cristallizzare molto velocemente per cancellare le informazioni. Il fatto che un materiale possa formarsi come vetro stabile ma allo stesso tempo diventi molto instabile a temperature elevate ha lasciato perplessi i ricercatori per decenni.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno studiato il processo di raffreddamento rapido mediante il quale si forma un vetro. Hanno scoperto che quando il liquido viene raffreddato sufficientemente al di sotto della temperatura di fusione, subisce un cambiamento strutturale per formarne un altro, liquido a bassa temperatura. Questo liquido a bassa temperatura può essere osservato solo su tempi molto brevi, prima che avvenga la cristallizzazione. I due diversi liquidi avevano non solo strutture atomiche molto diverse, ma anche comportamenti diversi:il liquido ad alta temperatura ha un'elevata mobilità atomica che permette agli atomi di cristallizzare, cioè., disporre in una struttura ordinata. Però, quando il liquido passa al di sotto di una certa temperatura al di sotto del punto di ebollizione, alcuni legami chimici diventano più forti e più rigidi e possono mantenere in posizione la struttura atomica disordinata del vetro. È solo la natura rigida di questi legami chimici che impedisce la trasformazione e, nel caso dei dispositivi di memoria a cambiamento di fase, protegge le informazioni sul posto.

"L'attuale tecnologia di archiviazione dei dati ha raggiunto un limite di scalabilità in modo che siano necessari nuovi concetti per archiviare le quantità di dati che produrremo in futuro, " disse Peter Zalden, uno scienziato presso European XFEL e co-autore principale dello studio. "Il nostro studio spiega come il processo di commutazione in una nuova tecnologia promettente possa essere veloce e affidabile allo stesso tempo".

I risultati aiutano anche a capire come altre classi di materiali formano un vetro. Esperimenti simili sono già in programma allo XFEL europeo, dove gli impulsi di femtosecondi sono abbastanza brevi e intensi da catturare istantanee di questi processi veloci.