Materiais de mudança de fase usados ​​na última geração de smartphones podem levar a uma maior capacidade de armazenamento e mais eficiência energética. Os dados são registrados alternando-se entre os estados de material vítreo e cristalino, aplicando um pulso de calor. Contudo, até o momento, não foi possível estudar o que acontece no nível atômico durante esse processo.

Em artigo publicado na edição de 14 de junho da revista Ciência , um grupo de cientistas, liderado por pesquisadores do European XFEL e da University of Duisburg-Essen na Alemanha e incluindo pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), descrevem como eles usaram os recursos do laser de elétrons livres de raios-X na Linac Coherent Light Source (LCLS) para mostrar que uma transição no mecanismo de ligação química permite o armazenamento de dados nesses materiais. Os resultados podem ser usados ​​para otimizar materiais de mudança de fase para tecnologias de armazenamento de dados mais rápidas e eficientes. Eles também fornecem novos insights sobre o processo de formação do vidro.

"Com a crescente quantidade de dados que armazenamos em nossos dispositivos, como smartphones hoje, precisamos de novas técnicas para armazenar ainda mais informações, "disse Stefan Hau-Riege do LLNL, um co-autor do artigo.

Materiais de mudança de fase feitos de elementos de antimônio, telúrio e germânio podem ser usados ​​para armazenar quantidades cada vez maiores de dados, e fazê-lo com rapidez e eficiência energética. Eles são usados, por exemplo, em substituições de pen drives na última geração de smartphones. Quando um pulso elétrico ou óptico é aplicado para aquecer esses materiais localmente, eles mudam de um estado vítreo para um cristalino, e vice versa. Esses dois estados diferentes representam o '0' e o '1' do código binário necessário para armazenar informações. Contudo, até o momento, não foi possível resolver como exatamente essas mudanças de estado ocorrem em um nível atômico.

Em um experimento no LCLS, a equipe usou uma técnica chamada difração de raios-X de femtossegundo para estudar as mudanças atômicas quando os materiais mudam de estado. No experimento que ocorreu antes de o XFEL europeu estar operacional, um laser óptico foi usado pela primeira vez para fazer com que o material mudasse entre os estados cristalino e vítreo. Durante este processo extremamente rápido, o laser de raios X foi usado para tirar imagens da estrutura atômica. Apenas os lasers de elétrons livres de raios-X, como o LCLS ou o XFEL europeu, produzem pulsos curtos e intensos o suficiente para capturar instantâneos das mudanças atômicas que ocorrem em tão curtos períodos de tempo. Os cientistas coletaram mais de 10, 000 imagens que lançam luz sobre a sequência de mudanças atômicas que ocorrem durante o processo.

Para armazenar informações com materiais de mudança de fase, eles devem ser resfriados rapidamente para entrar em um estado vítreo sem cristalizar. Eles também devem permanecer neste estado vítreo enquanto os dados estiverem armazenados. Isso significa que o processo de cristalização deve ser muito lento a ponto de ser quase ausente, como é o caso do vidro comum. Em altas temperaturas, Contudo, o mesmo material deve ser capaz de se cristalizar muito rapidamente para apagar a informação. O fato de um material poder se formar como vidro estável, mas ao mesmo tempo se tornar muito instável em temperaturas elevadas, intrigou os pesquisadores por décadas.

Em seu experimento, os pesquisadores estudaram o processo de resfriamento rápido pelo qual um vidro é formado. Eles descobriram que quando o líquido é resfriado suficientemente abaixo da temperatura de fusão, passa por uma mudança estrutural para formar outro, líquido de baixa temperatura. Este líquido de baixa temperatura pode ser observado apenas em escalas de tempo muito curtas, antes que ocorra a cristalização. Os dois líquidos diferentes não tinham apenas estruturas atômicas muito diferentes, mas também comportamentos diferentes:O líquido em alta temperatura tem uma alta mobilidade atômica que permite que os átomos se cristalizem, ou seja, para organizar em uma estrutura bem ordenada. Contudo, quando o líquido passa abaixo de uma certa temperatura abaixo do ponto de ebulição, algumas ligações químicas tornam-se mais fortes e rígidas e podem manter a estrutura atômica desordenada do vidro no lugar. É apenas a natureza rígida dessas ligações químicas que impede a transformação e - no caso de dispositivos de memória de mudança de fase - protege as informações no local.

"A tecnologia de armazenamento de dados atual atingiu um limite de escala, de modo que novos conceitos são necessários para armazenar as quantidades de dados que produziremos no futuro, "disse Peter Zalden, um cientista do European XFEL e co-autor principal do estudo. "Nosso estudo explica como o processo de troca em uma nova tecnologia promissora pode ser rápido e confiável ao mesmo tempo."

Os resultados também ajudam a entender como outras classes de materiais formam um vidro. Experimentos semelhantes já estão programados no XFEL europeu, onde os pulsos de femtossegundo são curtos e intensos o suficiente para capturar instantâneos desses processos rápidos.