Cristalografía de electrones ultrarrápida de representación de un artista:utilizando imágenes 4D ultrarrápidas, la técnica permite a los investigadores "filmar" el mecanismo atómico detrás del proceso de grabación en memorias basadas en materiales de cambio de fase. Crédito:Jianbo Hu, Giovanni M. Vanacore, y Ahmed H. Zewail
Los discos DVD y Blu-ray contienen los llamados materiales de cambio de fase que se transforman de un estado atómico a otro después de ser golpeados con pulsos de luz láser. con datos "registrados" en esos dos estados atómicos. Utilizando pulsos láser ultrarrápidos que aceleran el proceso de grabación de datos, Los investigadores de Caltech adoptaron una técnica novedosa, Cristalografía de electrones ultrarrápida (UEC), visualizar directamente en cuatro dimensiones las configuraciones atómicas cambiantes de los materiales que experimentan los cambios de fase. Al hacerlo, descubrieron un estado atómico intermedio previamente desconocido, uno que puede representar un límite inevitable para las velocidades de grabación de datos.
Al arrojar luz sobre los procesos físicos fundamentales involucrados en el almacenamiento de datos, el trabajo puede conducir a una mejor, sistemas de memoria de computadora más rápidos con mayor capacidad de almacenamiento. La investigación, hecho en el laboratorio de Ahmed Zewail, Linus Pauling Profesor de Química y profesor de Física, se publicará en la edición impresa del 28 de julio de la revista. ACS Nano .
Cuando la luz láser interactúa con un material de cambio de fase, su estructura atómica cambia de una disposición cristalina ordenada a una más desordenada, o amorfo, configuración. Estos dos estados representan ceros y unos de datos digitales.
"Hoy dia, láseres de nanosegundos (láseres que emiten luz a una milmillonésima de segundo) se utilizan para grabar información en DVD y discos Blu-ray, conduciendo el material de un estado a otro, "explica Giovanni Vanacore, becario postdoctoral y autor del estudio. La velocidad con la que se pueden registrar los datos está determinada por la velocidad del láser, es decir, por la duración de cada "pulso" de luz y por la rapidez con que el material mismo puede cambiar de un estado a otro.
Por lo tanto, con un láser de nanosegundos, "lo más rápido que puede registrar información es una unidad de información, uno 0 o 1, cada nanosegundo, "dice Jianbo Hu, un becario postdoctoral y el primer autor del artículo. "Para ir aún más rápido, la gente ha comenzado a usar láseres de femtosegundos, que potencialmente puede registrar una unidad cada millonésima de mil millonésima de segundo. Queríamos saber qué sucede realmente con el material a esta velocidad y si existe un límite para la rapidez con la que se puede pasar de una fase estructural a otra ".
Para estudiar esto, los investigadores utilizaron su técnica, Cristalografía de electrones ultrarrápida. La técnica, un nuevo desarrollo, diferente del trabajo ganador del Premio Nobel de Zewail en femtoquímica, El estudio visual de los procesos químicos que ocurren a escalas de femtosegundos permitió a los investigadores observar directamente la configuración atómica en transición de un material prototípico de cambio de fase. telururo de germanio (GeTe), cuando recibe el impacto de un pulso láser de femtosegundos.
En UEC, una muestra de GeTe cristalino se bombardea con un pulso de láser de femtosegundo, seguido de un pulso de electrones. El pulso láser hace que la estructura atómica cambie de cristalina a otras estructuras, y luego finalmente al estado amorfo. Luego, cuando el pulso del electrón golpea la muestra, sus electrones se dispersan en un patrón que proporciona una imagen de la configuración atómica de la muestra en función del tiempo.
Con esta técnica, los investigadores pudieron ver directamente, por primera vez, el cambio estructural en GeTe causado por los pulsos de láser. Sin embargo, también vieron algo más:una fase intermedia previamente desconocida que aparece durante la transición de la configuración cristalina a la amorfa. Debido a que pasar por la fase intermedia requiere más tiempo, los investigadores creen que representa un límite físico a la rapidez con la que puede ocurrir la transición general y a la rapidez con la que se pueden registrar los datos, independientemente de las velocidades del láser utilizadas.
"Incluso si hay un láser más rápido que un láser de femtosegundos, Habrá un límite en cuanto a la rapidez con la que se puede producir esta transición y se puede registrar la información, solo por la física de estos materiales de cambio de fase, ", Dice Vanacore." Es algo que no se puede resolver tecnológicamente, es fundamental ".
A pesar de revelar tales límites, la investigación podría algún día ayudar al desarrollo de un mejor almacenamiento de datos para computadoras, dicen los investigadores. Ahora, las computadoras generalmente almacenan información de varias maneras, entre ellos, la conocida memoria de acceso aleatorio (RAM) y la memoria de solo lectura (ROM). RAM, que se utiliza para ejecutar los programas en su computadora, Puede registrar y reescribir información muy rápidamente a través de una corriente eléctrica. Sin embargo, la información se pierde cada vez que se apaga la computadora. Almacenamiento ROM, incluidos CD y DVD, utiliza materiales de cambio de fase y láseres para almacenar información. Aunque la ROM graba y lee datos más lentamente, la información se puede almacenar durante décadas.
Encontrar formas de acelerar el proceso de grabación de materiales de cambio de fase y comprender los límites de esta velocidad podría conducir a un nuevo tipo de memoria que aproveche lo mejor de ambos mundos.
Los investigadores dicen que su próximo paso será utilizar UEC para estudiar la transición de la estructura atómica amorfa de GeTe a la fase cristalina, comparable al fenómeno que ocurre cuando borras y luego reescribes un DVD.
Aunque estas aplicaciones podrían significar cambios emocionantes para las tecnologías informáticas futuras, este trabajo también es muy importante desde un punto de vista fundamental, Dice Zewail.
"Comprender el comportamiento fundamental de la transformación de materiales es lo que buscamos, y estas nuevas técnicas desarrolladas en Caltech han permitido visualizar dicho comportamiento tanto en el espacio como en el tiempo, "Dice Zewail.