超快激光開啟儲存新紀元

當今，DVD和藍光盤使用納秒脈沖激光在不同原子狀態(tài)—各種晶體和非晶體結(jié)構(gòu)下的相變材料(PCM)上刻錄信息。為了更加全面地理解這些狀態(tài)變化時標，并提升數(shù)據(jù)刻錄的速度限制，加州理工學院的研究者們采用了超快電子晶體(UCE:Ultrafast Electron Crystallography)技術來直接監(jiān)測PCM的瞬態(tài)原子構(gòu)型。

當今，納秒激光在納秒級時間內(nèi)把相變材料從有序的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)(從數(shù)字數(shù)據(jù)“0”變?yōu)椤?”)。然而，在飛秒時間度運行的超快激光則可以探索PCM轉(zhuǎn)變是受激光速度限制還是受根本相變材料物理性質(zhì)限制。

本次UCE實驗中，晶體碲化鍺(GeTe)—典型相變材料的納米薄膜—被飛秒激光脈沖照射，緊接著又被電子超短脈沖照射。因為激光使晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為非晶態(tài)，電子束被散射為電子衍射圖樣，從而顯示原子結(jié)構(gòu)“圖”。通過監(jiān)控衍射圖案作為初始激光脈沖和探測電子脈沖之間的延遲時間功能，有可能探測物質(zhì)原子標度行為的演化，在空間和時間維度提供一個高空間和時間分辨率的4D形象。

就GeTe而言，晶體菱形結(jié)構(gòu)并不立即轉(zhuǎn)變到非晶態(tài);菱形結(jié)構(gòu)過渡到中間立方結(jié)構(gòu)需要12 ps。在更長的時間尺度上—幾百皮秒—納米薄膜加熱達到平衡，方可實現(xiàn)非晶態(tài)，只要系統(tǒng)處于高能量激發(fā)狀態(tài)并快速淬火。

超快電子結(jié)晶技術一般用于探索相變材料在從晶體向非晶體轉(zhuǎn)變過程中的狀態(tài)。飛秒激光脈沖和超短電子脈沖用于以4D(空間和時間)形式恢復GeTe納米薄膜的動力。中間立方結(jié)構(gòu)是第一次在試驗中被觀察到，可以為確定這些材料性能限度起重要作用。

中間立方階段的存在是首次在加州理工學院實驗被觀測到，并只能通過使用UCE方法的高原子靈敏度實現(xiàn)觀測。這些結(jié)果同樣可以為PCM提供更清晰的概貌。因為數(shù)據(jù)刻錄依靠兩種清晰定義的原子階段，另外中間結(jié)構(gòu)(最終非晶態(tài)的前兆)限制了晶體至非晶態(tài)過渡時間，并相應限制了數(shù)據(jù)刻錄的潛在速度，不管激光速度有多快。

“僅僅由于這些相干材料的物理性質(zhì)，即使采用比飛秒還快的激光，晶體向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的速度和數(shù)據(jù)存儲的時間都會受到限制”，加州理工學院博士后兼本次研究的作者Giovanni Vanacore表示?！斑@不是一個可以從技術上解決的問題——而是根本上無法改變的”，加州理工學院博士后兼本次研究第一作者Jianbo Hu說。