智能手机的相变材料可以带来更高的数据存储和能源效率

最新一代智能手机中使用的相变材料可以带来更高的存储容量和更高的能效。通过施加热脉冲在玻璃态和晶态材料之间切换来记录数据。但是，迄今为止还无法研究在此过程中原子级发生的情况。

在6月14日出版的“ 科学 ”杂志上发表的一篇论文中，由欧洲XFEL和德国杜伊斯堡 - 埃森大学的研究人员以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员领导的一组科学家描述了他们如何使用Linac相干光源(LCLS)上的X射线自由电子激光器的能力表明，化学键合机制的转变使得这些材料中的数据存储成为可能。结果可用于优化相变材料，以实现更快，更有效的数据存储技术。它们还为玻璃形成过程提供了新的见解。

“随着我们今天在智能手机等设备中存储的数据越来越多，我们需要新技术来存储更多信息，”该论文的共同作者LLNL的Stefan Hau-Riege说。

由锑，碲和锗元素组成的相变材料可用于存储越来越多的数据，并且快速且高效地进行。例如，它们被用于替代最新一代智能手机中的闪存驱动器。当施加电脉冲或光脉冲以局部加热这些材料时，它们从玻璃态变为晶态，反之亦然。这两个不同的状态表示存储信息所需的二进制代码的“0”和“1”。但是，到目前为止还无法解决这些状态变化究竟是如何在原子级上发生的。

在LCLS的一项实验中，该团队使用一种称为飞秒X射线衍射的技术来研究材料切换状态时的原子变化。在欧洲XFEL运行之前进行的实验中，首先使用光学激光来触发材料在晶态和玻璃态之间发生变化。在这个极快的过程中，X射线激光用于拍摄原子结构的图像。只有X射线自由电子激光器(如LCLS或欧洲XFEL)产生的脉冲短而强，足以捕获在如此短的时间范围内发生的原子变化的快照。科学家收集了超过10,000张图像，这些图像揭示了在此过程中发生的原子变化的顺序。

为了用相变材料存储信息，它们必须快速冷却以进入玻璃态而不结晶。只要数据存储，它们也必须保持这种玻璃状态。这意味着结晶过程必须非常缓慢到几乎不存在的程度，如在普通玻璃中的情况。然而，在高温下，相同的材料必须能够非常快速地结晶以消除信息。一种材料可以形成稳定的玻璃，但同时在高温下变得非常不稳定，这让研究人员困惑了几十年。

在他们的实验中，研究人员研究了玻璃形成的快速冷却过程。他们发现当液体冷却到远低于熔化温度时它经历了结构变化，形成另一种低温液体。在结晶发生之前，只能在非常短的时间尺度上观察到这种低温液体。两种不同的液体不仅具有非常不同的原子结构，而且具有不同的行为：高温下的液体具有高的原子迁移率，使得原子能够结晶，即排列成有序的结构。然而，当液体通过低于沸点的某一温度时，一些化学键变得更强并且更加刚性并且可以将玻璃的无序原子结构保持在适当位置。只有这些化学键的刚性才能阻止转换，并且在相变存储器设备的情况下，将信息保密到位。

“目前的数据存储技术已达到规模限制，因此需要新的概念来存储我们将来生产的数据量，”欧洲XFEL的科学家，该研究的共同主要作者Peter Zalden说。“我们的研究解释了有前景的新技术中的切换过程如何能够快速可靠地同时进行。”

结果还有助于了解其他类别的材料如何形成玻璃。欧洲XFEL已经安排了类似的实验，其中飞秒脉冲短而强，足以捕获这些快速过程的快照。