Los materiales de cambio de fase que se utilizan en la última generación de teléfonos inteligentes podrían conducir a una mayor capacidad de almacenamiento y una mayor eficiencia energética. Los datos se registran cambiando entre los estados de material vítreo y cristalino aplicando un pulso de calor. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible estudiar qué sucede a nivel atómico durante este proceso.

En un artículo publicado en la edición del 14 de junio de la revista Ciencias , un grupo de científicos, dirigido por investigadores de European XFEL y la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania e incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), describen cómo utilizaron las capacidades del láser de rayos X de electrones libres en la fuente de luz coherente de Linac (LCLS) para mostrar que una transición en el mecanismo de enlace químico permite el almacenamiento de datos en estos materiales. Los resultados se pueden utilizar para optimizar materiales de cambio de fase para tecnologías de almacenamiento de datos más rápidas y eficientes. También proporcionan nuevos conocimientos sobre el proceso de formación del vidrio.

"Con la creciente cantidad de datos que almacenamos en nuestros dispositivos, como los teléfonos inteligentes, en la actualidad, necesitamos nuevas técnicas para almacenar aún más información, "dijo Stefan Hau-Riege de LLNL, coautor del artículo.

Materiales de cambio de fase hechos de los elementos antimonio, El telurio y el germanio se pueden utilizar para almacenar cantidades cada vez mayores de datos, y hacerlo de forma rápida y energéticamente eficiente. Son usados, por ejemplo, en reemplazos para unidades flash en la última generación de teléfonos inteligentes. Cuando se aplica un pulso eléctrico u óptico para calentar estos materiales localmente, cambian de un estado vítreo a uno cristalino, y viceversa. Estos dos estados diferentes representan el '0' y el '1' del código binario necesario para almacenar información. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible resolver cómo ocurren exactamente estos cambios de estado a nivel atómico.

En un experimento en el LCLS, el equipo utilizó una técnica llamada difracción de rayos X de femtosegundos para estudiar los cambios atómicos cuando los materiales cambian de estado. En el experimento que tuvo lugar antes de que el XFEL europeo estuviera operativo, Se utilizó por primera vez un láser óptico para hacer que el material cambiara entre los estados cristalino y vítreo. Durante este proceso extremadamente rápido, el láser de rayos X se utilizó para tomar imágenes de la estructura atómica. Solo los láseres de rayos X de electrones libres, como el LCLS o el XFEL europeo, producen pulsos que son lo suficientemente cortos e intensos como para capturar instantáneas de los cambios atómicos que ocurren en períodos de tiempo tan cortos. Los científicos recolectaron más de 10, 000 imágenes que arrojan luz sobre la secuencia de cambios atómicos que se producen durante el proceso.

Para almacenar información con materiales de cambio de fase, deben enfriarse rápidamente para que entren en estado vítreo sin cristalizar. También deben permanecer en este estado vidrioso durante el tiempo que se almacenen los datos. Esto significa que el proceso de cristalización debe ser muy lento hasta el punto de estar casi ausente, como es el caso del vidrio ordinario. A altas temperaturas, sin embargo, el mismo material debe poder cristalizar muy rápidamente para borrar la información. Que un material pueda formarse como vidrio estable pero que al mismo tiempo se vuelva muy inestable a temperaturas elevadas ha desconcertado a los investigadores durante décadas.

En su experimento, los investigadores estudiaron el proceso de enfriamiento rápido mediante el cual se forma un vidrio. Descubrieron que cuando el líquido se enfría lo suficientemente por debajo de la temperatura de fusión, sufre un cambio estructural para formar otro, líquido a baja temperatura. Este líquido a baja temperatura se puede observar solo en escalas de tiempo muy cortas, antes de que tenga lugar la cristalización. Los dos líquidos diferentes no solo tenían estructuras atómicas muy diferentes, pero también comportamientos diferentes:el líquido a alta temperatura tiene una alta movilidad atómica que permite que los átomos cristalicen, es decir., para organizar en una estructura bien ordenada. Sin embargo, cuando el líquido pasa por debajo de una cierta temperatura por debajo del punto de ebullición, algunos enlaces químicos se vuelven más fuertes y rígidos y pueden mantener en su lugar la estructura atómica desordenada del vidrio. Es solo la naturaleza rígida de estos enlaces químicos lo que evita la transformación y, en el caso de los dispositivos de memoria de cambio de fase, asegura la información en su lugar.

"La tecnología de almacenamiento de datos actual ha alcanzado un límite de escala, por lo que se requieren nuevos conceptos para almacenar las cantidades de datos que produciremos en el futuro, "dijo Peter Zalden, científico de European XFEL y coautor principal del estudio. "Nuestro estudio explica cómo el proceso de conmutación en una nueva tecnología prometedora puede ser rápido y confiable al mismo tiempo".

Los resultados también ayudan a comprender cómo otras clases de materiales forman un vidrio. Experimentos similares ya están programados en European XFEL, donde los pulsos de femtosegundos son lo suficientemente cortos e intensos como para capturar instantáneas de estos procesos rápidos.