智能手機(jī)的相變材料可以帶來更高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和能源效率

最新一代智能手機(jī)中使用的相變材料可以帶來更高的存儲(chǔ)容量和更高的能效。通過施加熱脈沖在玻璃態(tài)和晶態(tài)材料之間切換來記錄數(shù)據(jù)。但是，迄今為止還無法研究在此過程中原子級發(fā)生的情況。

在6月14日出版的“ 科學(xué) ”雜志上發(fā)表的一篇論文中，由歐洲XFEL和德國杜伊斯堡 - 埃森大學(xué)的研究人員以及勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家描述了他們?nèi)绾问褂肔inac相干光源(LCLS)上的X射線自由電子激光器的能力表明，化學(xué)鍵合機(jī)制的轉(zhuǎn)變使得這些材料中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為可能。結(jié)果可用于優(yōu)化相變材料，以實(shí)現(xiàn)更快，更有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。它們還為玻璃形成過程提供了新的見解。

“隨著我們今天在智能手機(jī)等設(shè)備中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越來越多，我們需要新技術(shù)來存儲(chǔ)更多信息，”該論文的共同作者LLNL的Stefan Hau-Riege說。

由銻，碲和鍺元素組成的相變材料可用于存儲(chǔ)越來越多的數(shù)據(jù)，并且快速且高效地進(jìn)行。例如，它們被用于替代最新一代智能手機(jī)中的閃存驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)施加電脈沖或光脈沖以局部加熱這些材料時(shí)，它們從玻璃態(tài)變?yōu)榫B(tài)，反之亦然。這兩個(gè)不同的狀態(tài)表示存儲(chǔ)信息所需的二進(jìn)制代碼的“0”和“1”。但是，到目前為止還無法解決這些狀態(tài)變化究竟是如何在原子級上發(fā)生的。

在LCLS的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為飛秒X射線衍射的技術(shù)來研究材料切換狀態(tài)時(shí)的原子變化。在歐洲XFEL運(yùn)行之前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，首先使用光學(xué)激光來觸發(fā)材料在晶態(tài)和玻璃態(tài)之間發(fā)生變化。在這個(gè)極快的過程中，X射線激光用于拍攝原子結(jié)構(gòu)的圖像。只有X射線自由電子激光器(如LCLS或歐洲XFEL)產(chǎn)生的脈沖短而強(qiáng)，足以捕獲在如此短的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生的原子變化的快照。科學(xué)家收集了超過10,000張圖像，這些圖像揭示了在此過程中發(fā)生的原子變化的順序。

為了用相變材料存儲(chǔ)信息，它們必須快速冷卻以進(jìn)入玻璃態(tài)而不結(jié)晶。只要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，它們也必須保持這種玻璃狀態(tài)。這意味著結(jié)晶過程必須非常緩慢到幾乎不存在的程度，如在普通玻璃中的情況。然而，在高溫下，相同的材料必須能夠非常快速地結(jié)晶以消除信息。一種材料可以形成穩(wěn)定的玻璃，但同時(shí)在高溫下變得非常不穩(wěn)定，這讓研究人員困惑了幾十年。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員研究了玻璃形成的快速冷卻過程。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)液體冷卻到遠(yuǎn)低于熔化溫度時(shí)它經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)變化，形成另一種低溫液體。在結(jié)晶發(fā)生之前，只能在非常短的時(shí)間尺度上觀察到這種低溫液體。兩種不同的液體不僅具有非常不同的原子結(jié)構(gòu)，而且具有不同的行為：高溫下的液體具有高的原子遷移率，使得原子能夠結(jié)晶，即排列成有序的結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)液體通過低于沸點(diǎn)的某一溫度時(shí)，一些化學(xué)鍵變得更強(qiáng)并且更加剛性并且可以將玻璃的無序原子結(jié)構(gòu)保持在適當(dāng)位置。只有這些化學(xué)鍵的剛性才能阻止轉(zhuǎn)換，并且在相變存儲(chǔ)器設(shè)備的情況下，將信息保密到位。

“目前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)已達(dá)到規(guī)模限制，因此需要新的概念來存儲(chǔ)我們將來生產(chǎn)的數(shù)據(jù)量，”歐洲XFEL的科學(xué)家，該研究的共同主要作者Peter Zalden說。“我們的研究解釋了有前景的新技術(shù)中的切換過程如何能夠快速可靠地同時(shí)進(jìn)行。”

結(jié)果還有助于了解其他類別的材料如何形成玻璃。歐洲XFEL已經(jīng)安排了類似的實(shí)驗(yàn)，其中飛秒脈沖短而強(qiáng)，足以捕獲這些快速過程的快照。