Figura 1:(in alto) Una rappresentazione schematica della tecnica di diffrazione dei raggi X risolta nel tempo con sonda a pompa. Dopo l'irradiazione del campione mediante un impulso di eccitazione nel vicino infrarosso (colore rosso), un impulso XFEL (blu) ritardato di un tempo irradia il campione e le variazioni risultanti nell'intensità e nella posizione del picco di diffrazione vengono registrate dal CCD multiporta (MPCCD). rappresenta la rotazione del campione. (in basso) I fotogrammi da (I) a (III) mostrano cambiamenti schematici nel singolo cristallo di Ge2Sb2Te5 indotti dall'eccitazione del femosecondo. Gli atomi di Ge sono mostrati in giallo, Te atomi in blu, e gli atomi di Sb sono mostrati in viola.
I ricercatori sono riusciti a utilizzare gli impulsi a raggi X immensamente potenti della struttura SACLA del laser a elettroni liberi (XFEL) per studiare la dinamica del reticolo transitorio indotta dallo stato eccitato su scale temporali inferiori ai picosecondi in materiali a cambiamento di fase tramite diffrazione dei raggi X. I materiali a cambiamento di fase (PCM) sono ampiamente utilizzati nell'attuale generazione di supporti DVD riscrivibili e servono come base per la memoria ad accesso casuale a cambiamento di fase non volatile (PC-RAM) ampiamente ritenuta il successore della memoria FLASH. L'XFEL SACLA produce impulsi estremamente luminosi e brevi (10 fs) nella regione dei raggi X ed è la prima sorgente laser a raggi X domestica in Giappone. La natura ultracorta degli impulsi a raggi X in combinazione con la loro lunghezza d'onda corta (10-10 m) consente l'osservazione stroboscopica diretta di cambiamenti transitori nella struttura atomica dei solidi su scale temporali senza precedenti.
Nel progetto di ricerca, un laser a impulsi ultraveloce è stato utilizzato per eccitare otticamente un film epitassiale Ge2Sb2Te5 e impulsi a raggi X dall'XFEL sono stati utilizzati per registrare i successivi cambiamenti transitori nelle posizioni atomiche nello stato eccitato appena creato con una precisione inferiore al picosecondo utilizzando la diffrazione dei raggi X. Queste osservazioni hanno rivelato che subito dopo l'eccitazione, la rottura del legame indotta dallo stato eccitato ha provocato riarrangiamenti strutturali locali non termici entro pochi picosecondi seguiti dal riscaldamento del reticolo dopo 4 picosecondi. La formazione dello stato strutturale transitorio finora non osservato è stata seguita da un cambiamento di 2 picometri (=10-12 m) nella spaziatura del reticolo dopo 20 picosecondi come rivelato dalla diffrazione dei raggi X. È stato osservato che lo stato transitorio persiste per oltre 100 picosecondi, ma è stato riscontrato il completo ripristino dello stato iniziale (di massa) dopo 1,8 nanosecondi.
La presenza di questo stato transitorio precedentemente sconosciuto formato su scale temporali di picosecondi suggerisce fortemente che la consueta transizione d'ordine dei nanosecondi indotta termicamente della memoria a cambiamento di fase convenzionale può essere utilizzata per accelerare il passaggio della memoria a scale temporali di picosecondi. In altre parole, l'uso dell'eccitazione elettronica nel processo di transizione a cambiamento di fase dovrebbe consentire il funzionamento della memoria su scala temporale di picosecondi. I risultati di questa ricerca saranno pubblicati sulla rivista del gruppo editoriale British Nature Rapporti scientifici online il 12 febbraio, 2016. La ricerca di cui sopra è stata supportata dal programma strategico prioritario per laser a elettroni liberi a raggi X (nn. 12013011 e 12013023) del Ministero della Pubblica Istruzione, Cultura, Gli sport, Scienza e tecnologia del Giappone).
Contesto e dettagli della ricerca
Figura 2:variazioni risolte nel tempo nel segnale di diffrazione dei raggi X del piano (222). (a) Vengono mostrate le variazioni del picco di diffrazione dei raggi X da -10 a +1800 ps. L'asse orizzontale è un numero d'onda. (b) Le variazioni del picco di diffrazione dei raggi X da -10 a +30 ps sono mostrate in forma ingrandita. Prima dell'eccitazione ottica, il picco di diffrazione si trova a circa 36 nm-1, mentre subito dopo l'eccitazione l'intensità inizia a diminuire e dopo un ritardo di circa 4 ps, il picco inizia a spostarsi verso un numero d'onda più piccolo. Lo spostamento raggiunge un valore massimo per un ritardo di circa 20 ps. Dopo circa 1,8 ns, il picco ritorna alla sua posizione originale.
Dopo l'irradiazione di un solido da un impulso laser, gli elettroni sono eccitati dallo stato fondamentale a livelli più alti portando alla creazione di uno stato eccitato nel solido. Un solido in tale stato eccitato si dice che sia in uno stato metastabile o instabile e tipicamente gli atomi vengono spostati dalle loro posizioni di equilibrio nello stato fondamentale. Creando intenzionalmente uno stato eccitato in un solido, è possibile indurre spostamenti in posizioni atomiche consentendo la manipolazione della struttura cristallina del solido. Gli spostamenti nelle posizioni atomiche indotti da tali processi, però, sono tipicamente su scala sub-nanometrica (0,1 nm), rendendo impossibile valutare tali piccoli cambiamenti utilizzando la luce laser con una lunghezza d'onda di diverse centinaia di nanometri. Per misurare tali piccoli cambiamenti di posizione, è necessario utilizzare la luce di lunghezza d'onda sub-nanometrica dal laser a raggi X sotto forma di diffrazione di raggi X risolta nel tempo.
I materiali di registrazione ottica come quelli utilizzati per DVD-RAM sono composti calcogeni semiconduttori composti in gran parte da Te e la classe di tali composti viene spesso definita materiali a cambiamento di fase. I materiali a cambiamento di fase mostrano grandi cambiamenti nelle proprietà dei materiali come la riflettività ottica e la resistenza elettrica tra gli stati cristallino e amorfo, rendendoli utili per la registrazione di informazioni basate sui corrispondenti cambiamenti di proprietà. Ad oggi, il tempo tipico per la registrazione delle informazioni utilizzando questi due stati è stato dell'ordine di un nanosecondo (un miliardesimo di secondo). Negli ultimi anni, però, i calcoli dei primi principi hanno previsto che, utilizzando l'eccitazione elettronica, tali transizioni possono avvenire su scale temporali di picosecondi (un trilionesimo di secondo)a. Se queste previsioni si realizzano, grandi passi avanti sia nel funzionamento a bassa potenza che nel throughput dei dati saranno realizzabili utilizzando la memoria a cambiamento di fase non volatile.
Per portare avanti questi obiettivi, l'attuale team di ricerca ha utilizzato la struttura laser a raggi X a elettroni liberi più avanzata al mondo [SACLA] per eseguire misurazioni di diffrazione dei raggi X risolte nel tempo del movimento atomico in un materiale a cambiamento di fase su scale spaziali sub-nanometriche.
Figura 3:misurazioni strutturali della spettroscopia di assorbimento dei raggi X risolta nel tempo (XAFS) di un film policristallino di Ge2Sb2Te5. (a) Con elettroni eccitati da un impulso laser ultraveloce (stato eccitato), prima dell'eccitazione, e dopo l'eccitazione. (b) Spettri di riferimento per lo stato amorfo e lo stato liquido confrontati con gli spettri allo stato eccitato.
Contenuti e risultati della ricerca
Nell'ambito del progetto di ricerca Ge2Sb2Te5 film sottili epitassiali (spessore 35 nm) sono stati fabbricati e irradiati con luce laser di durata ultracorta (30 femtosecondi) (lunghezza d'onda 800 nm) a SACLA. Ciò ha comportato l'eccitazione ottica degli elettroni nel film Ge2Sb2Te5 e la creazione di uno stato eccitato nel campione. Per catturare il moto atomico risultante dopo l'eccitazione, Gli impulsi XFEL (durata 10 femtosecondi con energia 10 keV) sono stati utilizzati per osservare in modo stroboscopico i cambiamenti nella struttura del campione utilizzando un rilevatore CCD a lettura multipla (MPCCD) per registrare immagini di diffrazione dei raggi X a trenta fotogrammi al secondo (Figura 1). Per gli esperimenti in corso, Diffrazione di raggi X dal cresciuto epitassialmente, un campione di cristallo singolo altamente perfetto ha prodotto immagini di diffrazione basate sul picco registrate dall'MPCCD come mostrato schematicamente nella Figura 1. Il piano di diffrazione a più alta intensità (222) è stato scelto come soggetto degli esperimenti di diffrazione risolti nel tempo e dei cambiamenti in entrambi i la posizione e l'intensità dei picchi di diffrazione dei raggi X sono state tracciate con una risoluzione temporale inferiore al picosecondo (Figura 2). In questo modo, i cambiamenti nelle posizioni degli atomi che costituiscono il singolo cristallo Ge2Sb2Te5 potrebbero essere seguiti sulla scala temporale ultraveloce sub-picosecondo del presente esperimento.
Utilizzando la tecnica di cui sopra, lo spostamento degli atomi dalla posizione di equilibrio del cristallo è risultato raggiungere un massimo a circa 20 picosecondi (Figura 2 a destra) risultando in uno spostamento massimo del picco di diffrazione (0,45 nm-1) con uno spostamento atomico corrispondente di circa 2 picometri. Successivamente dopo circa 1,8 nanosecondi, si è scoperto che le posizioni degli atomi tornano a quelle del cristallo perfetto. I cambiamenti nelle posizioni dei picchi di diffrazione dei raggi X sull'MPCCD riflettono i cambiamenti nella spaziatura reticolare del cristallo mentre le riduzioni nell'intensità dei picchi riflettono i cambiamenti nell'ampiezza delle vibrazioni quadratiche medie degli atomi rispetto alle loro posizioni medie (Debye -Effetto Waller). I cambiamenti sono schematicamente indicati nella Figura 1 dove l'ammorbidimento reticolare iniziale derivante dalla rottura del legame e dai riarrangiamenti atomici locali indotti dall'eccitazione degli elettroni, anche se il reticolo rimane a temperatura ambiente (secondo frame (II)). In seguito a ciò, la temperatura del reticolo aumenta e porta ad un'ulteriore espansione della spaziatura del piano reticolare (telaio III). Così, uno spostamento atomico di 2 picometri è stato indotto come transizione da frame (II) → frame (III).
Le misurazioni correnti come visualizzate nella Figura 1 hanno permesso l'osservazione di cambiamenti estremamente piccoli, meno di circa 0,08 nm. Inoltre, gli stessi cambiamenti indotti dall'eccitazione che si sono verificati in meno di 1,8 nanosecondi sono stati studiati all'Advanced Photon Source utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X per comprendere i dettagli microscopici della transizione dallo stato cristallino allo stato amorfo (Figura 3).
Sviluppi futuri
La ricerca attuale ha studiato i dettagli del processo di cambiamento di fase in entrambi i materiali a cambiamento di fase di memoria ottica riscrivibile e non volatile su scale temporali di picosecondi. Inoltre, di recente è stato scoperto che processi simili al di sotto dei picosecondi si verificano nei superreticoli GeTe/Sb2Te3 a film sottile che portano alla promessa di future generazioni di dispositivi basati su materiali a cambiamento di fase che funzionano a velocità senza precedenti e con un funzionamento a bassa potenza rispetto all'attuale generazione di film in lega Ge2Sb2Te5.
Per di più, è stato dimostrato che il sub-nanometro, I processi su scala temporale sub-picosecondi possono essere osservati utilizzando la diffrazione dei raggi X risolta nel tempo al SACLA. Negli sviluppi futuri, si prevede che le misure di diffrazione risolta nel tempo saranno effettuate con una risoluzione temporale migliore di 100 femtosecondi consentendo la misurazione e la comprensione delle dinamiche di transizione di un'ampia gamma di materiali.
