I DVD e i dischi Blu-ray contengono i cosiddetti materiali a cambiamento di fase che si trasformano da uno stato atomico a un altro dopo essere stati colpiti da impulsi di luce laser, con dati "registrati" in quei due stati atomici. Utilizzando impulsi laser ultraveloci che accelerano il processo di registrazione dei dati, I ricercatori del Caltech hanno adottato una nuova tecnica, cristallografia elettronica ultraveloce (UEC), visualizzare direttamente in quattro dimensioni le mutevoli configurazioni atomiche dei materiali che subiscono i cambiamenti di fase. Così facendo, hanno scoperto uno stato atomico intermedio precedentemente sconosciuto, che potrebbe rappresentare un limite inevitabile alle velocità di registrazione dei dati.

Facendo luce sui processi fisici fondamentali coinvolti nella memorizzazione dei dati, il lavoro può portare a migliori, sistemi di memoria del computer più veloci con una maggiore capacità di archiviazione. La ricerca, fatto nel laboratorio di Ahmed Zewail, Linus Pauling Professore di Chimica e professore di fisica, sarà pubblicato nel numero cartaceo del 28 luglio della rivista ACS Nano .

Quando la luce laser interagisce con un materiale a cambiamento di fase, la sua struttura atomica cambia da una disposizione cristallina ordinata a una più disordinata, o amorfo, configurazione. Questi due stati rappresentano 0 e 1 di dati digitali.

"Oggi, laser a nanosecondi, laser che emettono luce a un miliardesimo di secondo, vengono utilizzati per registrare informazioni su DVD e dischi Blu-ray, spostando il materiale da uno stato all'altro, " spiega Giovanni Vanacore, uno studioso postdottorato e un autore dello studio. La velocità con cui i dati possono essere registrati è determinata sia dalla velocità del laser, cioè, dalla durata di ogni "impulso" di luce e dalla velocità con cui il materiale stesso può passare da uno stato all'altro.

Così, con un laser a nanosecondi, "il più veloce che puoi registrare le informazioni è un'unità di informazioni, uno 0 o 1, ogni nanosecondo, "dice Jianbo Hu, uno studioso postdottorato e il primo autore del documento. "Per andare ancora più veloce, le persone hanno iniziato a utilizzare i laser a femtosecondi, che potenzialmente può registrare un'unità ogni milionesimo di miliardesimo di secondo. Volevamo sapere cosa succede effettivamente al materiale a questa velocità e se c'è un limite alla velocità con cui si può passare da una fase strutturale all'altra".

Per studiare questo, i ricercatori hanno usato la loro tecnica, cristallografia elettronica ultraveloce. La tecnica, un nuovo sviluppo, diverso dal lavoro vincitore del premio Nobel di Zewail in femtochimica, lo studio visivo dei processi chimici che si verificano su scale di femtosecondi, ha permesso ai ricercatori di osservare direttamente la configurazione atomica in transizione di un prototipo di materiale a cambiamento di fase, tellururo di germanio (GeTe), quando viene colpito da un impulso laser a femtosecondi.

Nell'UEC, un campione di GeTe cristallino viene bombardato con un impulso laser a femtosecondi, seguito da un impulso di elettroni. L'impulso laser fa sì che la struttura atomica cambi da quella cristallina ad altre strutture, e poi infine allo stato amorfo. Quindi, quando l'impulso dell'elettrone colpisce il campione, i suoi elettroni si disperdono secondo uno schema che fornisce un'immagine della configurazione atomica del campione in funzione del tempo.

Con questa tecnica, i ricercatori potevano vedere direttamente, per la prima volta, il cambiamento strutturale in GeTe causato dagli impulsi laser. Però, hanno visto anche qualcosa di più:una fase intermedia precedentemente sconosciuta che appare durante il passaggio dalla configurazione cristallina a quella amorfa. Poiché passare attraverso la fase intermedia richiede più tempo, i ricercatori ritengono che rappresenti un limite fisico alla velocità con cui può avvenire la transizione complessiva e alla velocità con cui i dati possono essere registrati, indipendentemente dalle velocità laser utilizzate.

"Anche se esiste un laser più veloce di un laser a femtosecondi, ci sarà un limite alla velocità con cui questa transizione può verificarsi e le informazioni possono essere registrate, proprio a causa della fisica di questi materiali a cambiamento di fase, " Dice Vanacore. "È qualcosa che non può essere risolto tecnologicamente, è fondamentale".

Pur rivelando tali limiti, la ricerca potrebbe un giorno aiutare lo sviluppo di una migliore memorizzazione dei dati per i computer, dicono i ricercatori. Proprio adesso, i computer generalmente memorizzano le informazioni in diversi modi, tra queste la ben nota memoria ad accesso casuale (RAM) e la memoria di sola lettura (ROM). RAM, che viene utilizzato per eseguire i programmi sul tuo computer, può registrare e riscrivere le informazioni molto rapidamente tramite una corrente elettrica. Però, le informazioni vengono perse ogni volta che il computer viene spento. memoria ROM, compresi CD e DVD, utilizza materiali a cambiamento di fase e laser per memorizzare le informazioni. Sebbene la ROM registri e legga i dati più lentamente, le informazioni possono essere conservate per decenni.

Trovare modi per accelerare il processo di registrazione dei materiali a cambiamento di fase e comprendere i limiti di questa velocità potrebbe portare a un nuovo tipo di memoria che sfrutta il meglio di entrambi i mondi.

I ricercatori affermano che il loro prossimo passo sarà usare l'UEC per studiare la transizione della struttura atomica amorfa di GeTe di nuovo nella fase cristallina, paragonabile al fenomeno che si verifica quando si cancella e poi si riscrive un DVD.

Sebbene queste applicazioni possano significare cambiamenti entusiasmanti per le future tecnologie informatiche, questo lavoro è molto importante anche da un punto di vista fondamentale, dice Zewail.

"Comprendere il comportamento fondamentale della trasformazione dei materiali è ciò che stiamo cercando, e queste nuove tecniche sviluppate al Caltech hanno permesso di visualizzare tale comportamento sia nello spazio che nel tempo, " dice Zewail.