Les DVD et les disques Blu-ray contiennent des matériaux dits à changement de phase qui se transforment d'un état atomique à un autre après avoir été frappés par des impulsions de lumière laser, avec des données "enregistrées" dans ces deux états atomiques. En utilisant des impulsions laser ultrarapides qui accélèrent le processus d'enregistrement des données, Les chercheurs de Caltech ont adopté une nouvelle technique, cristallographie électronique ultrarapide (UEC), visualiser directement en quatre dimensions les configurations atomiques changeantes des matériaux subissant les changements de phase. Ce faisant, ils ont découvert un état atomique intermédiaire jusqu'alors inconnu, qui peut représenter une limite inévitable aux vitesses d'enregistrement des données.

En mettant en lumière les processus physiques fondamentaux impliqués dans le stockage des données, le travail peut conduire à mieux, des systèmes de mémoire informatique plus rapides avec une plus grande capacité de stockage. La recherche, fait dans le laboratoire d'Ahmed Zewail, Linus Pauling professeur de chimie et professeur de physique, sera publié dans le numéro imprimé du 28 juillet de la revue ACS Nano .

Lorsque la lumière laser interagit avec un matériau à changement de phase, sa structure atomique passe d'un arrangement cristallin ordonné à un arrangement plus désordonné, ou amorphe, configuration. Ces deux états représentent des 0 et des 1 de données numériques.

"Aujourd'hui, les lasers nanosecondes (lasers émettant de la lumière à un milliardième de seconde) sont utilisés pour enregistrer des informations sur des DVD et des disques Blu-ray, en faisant passer le matériau d'un état à un autre, " explique Giovanni Vanacore, un chercheur postdoctoral et un auteur de l'étude. La vitesse à laquelle les données peuvent être enregistrées est déterminée à la fois par la vitesse du laser, c'est-à-dire par la durée de chaque "impulsion" de lumière et par la vitesse à laquelle le matériau lui-même peut passer d'un état à l'autre.

Ainsi, avec un laser nanoseconde, "le plus rapide vous pouvez enregistrer des informations est une unité d'information, un 0 ou 1, chaque nanoseconde, " dit Jianbo Hu, un chercheur postdoctoral et le premier auteur de l'article. « Pour aller encore plus vite, les gens ont commencé à utiliser des lasers femtosecondes, qui peut potentiellement enregistrer une unité tous les millionièmes de milliardièmes de seconde. Nous voulions savoir ce qui arrive réellement au matériau à cette vitesse et s'il y a une limite à la vitesse à laquelle vous pouvez passer d'une phase structurelle à une autre."

Pour étudier cela, les chercheurs ont utilisé leur technique, cristallographie électronique ultrarapide. La technique, un nouveau développement, différent des travaux de femtochimie de Zewail, lauréats du prix Nobel, l'étude visuelle des processus chimiques se produisant à l'échelle femtoseconde a permis aux chercheurs d'observer directement la configuration atomique en transition d'un matériau à changement de phase prototype, tellurure de germanium (GeTe), lorsqu'il est touché par une impulsion laser femtoseconde.

Dans l'UEC, un échantillon de GeTe cristallin est bombardé par une impulsion laser femtoseconde, suivi d'une impulsion d'électrons. L'impulsion laser fait passer la structure atomique de la structure cristalline à d'autres structures, puis finalement à l'état amorphe. Puis, lorsque l'impulsion électronique frappe l'échantillon, ses électrons se dispersent selon un motif qui donne une image de la configuration atomique de l'échantillon en fonction du temps.

Avec cette technique, les chercheurs pouvaient voir directement, pour la première fois, le décalage structurel de GeTe causé par les impulsions laser. Cependant, ils ont aussi vu quelque chose de plus :une phase intermédiaire jusqu'alors inconnue qui apparaît lors du passage de la configuration cristalline à la configuration amorphe. Parce que passer par la phase intermédiaire prend du temps supplémentaire, les chercheurs pensent que cela représente une limite physique à la rapidité avec laquelle la transition globale peut se produire et à la vitesse à laquelle les données peuvent être enregistrées, quelles que soient les vitesses laser utilisées.

"Même s'il existe un laser plus rapide qu'un laser femtoseconde, il y aura une limite quant à la vitesse à laquelle cette transition peut se produire et les informations peuvent être enregistrées, juste à cause de la physique de ces matériaux à changement de phase, ", dit Vanacore. "C'est quelque chose qui ne peut pas être résolu technologiquement, c'est fondamental."

Malgré la révélation de telles limites, la recherche pourrait un jour aider au développement d'un meilleur stockage de données pour les ordinateurs, disent les chercheurs. À l'heure actuelle, les ordinateurs stockent généralement des informations de plusieurs manières, parmi eux, la mémoire vive (RAM) et la mémoire morte (ROM) bien connues. RAM, qui est utilisé pour exécuter les programmes sur votre ordinateur, peut enregistrer et réécrire des informations très rapidement via un courant électrique. Cependant, les informations sont perdues chaque fois que l'ordinateur est mis hors tension. stockage ROM, y compris les CD et DVD, utilise des matériaux à changement de phase et des lasers pour stocker des informations. Bien que la ROM enregistre et lit les données plus lentement, les informations peuvent être stockées pendant des décennies.

Trouver des moyens d'accélérer le processus d'enregistrement des matériaux à changement de phase et comprendre les limites de cette vitesse pourrait conduire à un nouveau type de mémoire qui exploite le meilleur des deux mondes.

Les chercheurs disent que leur prochaine étape consistera à utiliser UEC pour étudier la transition de la structure atomique amorphe de GeTe vers la phase cristalline, comparable au phénomène qui se produit lorsque vous effacez puis réécrivez un DVD.

Bien que ces applications puissent signifier des changements passionnants pour les futures technologies informatiques, ce travail est aussi très important d'un point de vue fondamental, dit Zewail.

« Comprendre le comportement fondamental de la transformation des matériaux est ce que nous recherchons, et ces nouvelles techniques développées à Caltech ont permis de visualiser un tel comportement à la fois dans l'espace et dans le temps, " dit Zewail.