智能手機的相變材料可以帶來更高的數(shù)據(jù)存儲和能源效率

最新一代智能手機中使用的相變材料可以帶來更高的存儲容量和更高的能效。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 ”雜志上發(fā)表的一篇論文中，由歐洲XFEL和德國杜伊斯堡 - 埃森大學的研究人員以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員領導的一組科學家描述了他們?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，化學鍵合機制的轉(zhuǎn)變使得這些材料中的數(shù)據(jù)存儲成為可能。結果可用于優(yōu)化相變材料，以實現(xiàn)更快，更有效的數(shù)據(jù)存儲技術。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等設備中存儲的數(shù)據(jù)越來越多，我們需要新技術來存儲更多信息，”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越來越多的數(shù)據(jù)，并且快速且高效地進行。例如，它們被用于替代最新一代智能手機中的閃存驅(qū)動器。當施加電脈沖或光脈沖以局部加熱這些材料時，它們從玻璃態(tài)變?yōu)榫B(tài)，反之亦然。這兩個不同的狀態(tài)表示存儲信息所需的二進制代碼的“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的一項實驗中，該團隊使用一種稱為飛秒X射線衍射的技術來研究材料切換狀態(tài)時的原子變化。在歐洲XFEL運行之前進行的實驗中，首先使用光學激光來觸發(fā)材料在晶態(tài)和玻璃態(tài)之間發(fā)生變化。在這個極快的過程中，X射線激光用于拍攝原子結構的圖像。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，足以捕獲在如此短的時間范圍內(nèi)發(fā)生的原子變化的快照。科學家收集了超過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信息，它們必須快速冷卻以進入玻璃態(tài)而不結晶。只要數(shù)據(jù)存儲，它們也必須保持這種玻璃狀態(tài)。這意味著結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?？焖俚亟Y晶以消除信息。一種材料可以形成穩(wěn)定的玻璃，但同時在高溫下變得非常不穩(wěn)定，這讓研究人員困惑了幾十年。

在他們的實驗中，研究人員研究了玻璃形成的快速冷卻過程。他們發(fā)現(xiàn)當液體冷卻到遠低于熔化溫度時它經(jīng)歷了結構變化，形成另一種低溫液體。在結晶發(fā)生之前，只能在非常短的時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構，而且具有不同的行為：高溫下的液體具有高的原子遷移率，使得原子能夠結晶，即排列成有序的結構。然而，當液體通過低于沸點的某一溫度時，一些化學鍵變得更強并且更加剛性并且可以將玻璃的無序原子結構保持在適當位置。只有這些化學鍵的剛性才能阻止轉(zhuǎn)換，并且在相變存儲器設備的情況下，將信息保密到位。

“目前的數(shù)據(jù)存儲技術已達到規(guī)模限制，因此需要新的概念來存儲我們將來生產(chǎn)的數(shù)據(jù)量，”歐洲XFEL的科學家，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中的切換過程如何能夠快速可靠地同時進行。”

結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)安排了類似的實驗，其中飛秒脈沖短而強，足以捕獲這些快速過程的快照。