Les matériaux à changement de phase utilisés dans la dernière génération de smartphones pourraient conduire à une capacité de stockage plus élevée et à une plus grande efficacité énergétique. Les données sont enregistrées en basculant entre les états du matériau vitreux et cristallin en appliquant une impulsion de chaleur. Cependant, à ce jour, il n'a pas été possible d'étudier ce qui se passe au niveau atomique au cours de ce processus.

Dans un article publié dans l'édition du 14 juin de la revue Science , un groupe de scientifiques, dirigé par des chercheurs de l'European XFEL et de l'Université de Duisburg-Essen en Allemagne et comprenant des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), décrivent comment ils ont utilisé les capacités du laser à rayons X à électrons libres de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) pour montrer qu'une transition dans le mécanisme de liaison chimique permet le stockage de données dans ces matériaux. Les résultats peuvent être utilisés pour optimiser les matériaux à changement de phase pour des technologies de stockage de données plus rapides et plus efficaces. Ils fournissent également de nouvelles informations sur le processus de formation du verre.

« Avec la quantité croissante de données que nous stockons dans nos appareils tels que les smartphones aujourd'hui, nous avons besoin de nouvelles techniques pour stocker encore plus d'informations, " a déclaré Stefan Hau-Riege de LLNL, un co-auteur de l'article.

Matériaux à changement de phase constitués des éléments antimoine, le tellure et le germanium permettent de stocker des quantités de données de plus en plus importantes, et le faire rapidement et de manière économe en énergie. Ils sont utilisés, par exemple, en remplacement des clés USB dans la dernière génération de smartphones. Lorsqu'une impulsion électrique ou optique est appliquée pour chauffer ces matériaux localement, ils passent d'un état vitreux à un état cristallin, et vice versa. Ces deux états différents représentent le « 0 » et le « 1 » du code binaire nécessaire pour stocker les informations. Cependant, à ce jour, il n'a pas été possible de déterminer comment exactement ces changements d'état se produisent au niveau atomique.

Dans une expérimentation au LCLS, l'équipe a utilisé une technique appelée diffraction des rayons X femtoseconde pour étudier les changements atomiques lorsque les matériaux changent d'état. Dans l'expérience qui a eu lieu avant que le XFEL européen ne soit opérationnel, un laser optique a d'abord été utilisé pour déclencher le changement du matériau entre les états cristallin et vitreux. Au cours de ce processus extrêmement rapide, le laser à rayons X a été utilisé pour prendre des images de la structure atomique. Seuls les lasers à rayons X à électrons libres tels que le LCLS ou le XFEL européen produisent des impulsions suffisamment courtes et intenses pour capturer des instantanés des changements atomiques se produisant sur des périodes aussi courtes. Les scientifiques ont collecté plus de 10, 000 images qui éclairent la séquence des changements atomiques qui se produisent au cours du processus.

Pour stocker des informations avec des matériaux à changement de phase, ils doivent être refroidis rapidement pour entrer dans un état vitreux sans cristalliser. Ils doivent également rester dans cet état vitreux aussi longtemps que les données sont stockées. Cela signifie que le processus de cristallisation doit être très lent au point d'être presque absent, comme c'est le cas dans le verre ordinaire. A hautes températures, cependant, le même matériau doit pouvoir cristalliser très rapidement pour effacer l'information. Le fait qu'un matériau puisse se transformer en verre stable tout en devenant très instable à des températures élevées a intrigué les chercheurs pendant des décennies.

Dans leur expérience, les chercheurs ont étudié le processus de refroidissement rapide par lequel un verre est formé. Ils ont découvert que lorsque le liquide est suffisamment refroidi en dessous de la température de fusion, il subit un changement structurel pour en former un autre, liquide à basse température. Ce liquide à basse température ne peut être observé que sur des échelles de temps très courtes, avant que la cristallisation n'ait lieu. Les deux liquides différents avaient non seulement des structures atomiques très différentes, mais aussi des comportements différents :Le liquide à haute température a une grande mobilité atomique qui permet aux atomes de cristalliser, c'est à dire., à organiser dans une structure bien ordonnée. Cependant, lorsque le liquide passe au-dessous d'une certaine température au-dessous du point d'ébullition, certaines liaisons chimiques deviennent plus fortes et plus rigides et peuvent maintenir en place la structure atomique désordonnée du verre. C'est seulement la nature rigide de ces liaisons chimiques qui empêche la transformation et - dans le cas des dispositifs de mémoire à changement de phase - sécurise l'information en place.

« La technologie actuelle de stockage de données a atteint une limite d'échelle, de sorte que de nouveaux concepts sont nécessaires pour stocker les quantités de données que nous produirons à l'avenir, " dit Peter Zalden, un scientifique de l'European XFEL et co-auteur principal de l'étude. "Notre étude explique comment le processus de commutation dans une nouvelle technologie prometteuse peut être à la fois rapide et fiable."

Les résultats aident également à comprendre comment d'autres classes de matériaux forment un verre. Des expériences similaires sont déjà programmées au XFEL européen, où les impulsions femtosecondes sont suffisamment courtes et intenses pour capturer des instantanés de ces processus rapides.