 DVD и Blu-Ray диски содержат так называемые фазы изменения материалов, которые переходят от одного атомного состояния в другое, будучи пораженными импульсами лазерного света. Таким образом данные «записываются» в этих двух атомных состояниях. Используя сверхбыстрые лазерные импульсы, которые ускоряют процесс записи данных, исследователи Caltech приняли новую технику - сверхбыструю электронную кристаллографию, чтобы непосредственно визуализировать четыре измерения меняющихся атомных конфигураций материалов, подвергающихся фазовым изменениям. При этом они обнаружили ранее неизвестное промежуточное атомное состояние, которое может представлять неизбежный предел скорости записи данных.
Проливая свет на фундаментальные физические процессы, связанные с хранением данных, их работа может привести к более лучшим и быстрым системам компьютерной памяти с большей емкостью.
Когда лазерный луч взаимодействует с материалом фазового перехода, его атомная структура меняется от упорядоченного кристаллического расположения к более неупорядоченной, или аморфной конфигурации. Эти два состояния представляют нуль и единицу цифровых данных.
В настоящее время наносекундные лазеры (лазеры импульсного света в одной миллиардной доли секунды) используются для записи информации на DVD-диски и Blu-Ray диски при движении материала из одного состояния в другое. Скорость, с которой данные могут быть записаны определяется как скоростью лазера - то есть, длительностью каждого «импульса» света, и тем, как быстро сам материал может переходить от одного состояния в другое.
Таким образом, с наносекундным лазером можно записывать единицу информации каждую наносекунду. Для того, чтобы еще ускорить запись информации, люди начали использовать фемтосекундные лазеров, которые потенциально могут записать одну единицу каждый миллионной доли одной миллиардной секунды. Исследователи желают знать, что на самом деле происходит с материалом на этой скорости, и есть ли предел, к которому можно перейти от одной структурного фазы в другую.
Для изучения этого процесс, исследователи использовали сверхбыструю электронную кристаллографию. Этот метод позволил исследователям непосредственно наблюдать перехода атомной конфигурацию прототипа материала с изменением фазы германия теллурида, когда он был подвергнут фемтосекундным лазерным импульсом.
Образец кристаллического теллурида германия подвергается бомбардировке фемтосекундного лазерного импульса с последующим импульсом электронов. Лазерный импульс побуждает атомную структуру изменяться от кристаллической к другой структуре, приходя в конечном счете в аморфное состояние. Затем, когда электрон импульса попадает в образец, его электроны рассеиваются в образце, что позволяет получить представление о конфигурации атомов образца в зависимости от времени.
С помощью этого метода, исследователи могут непосредственно наблюдать, в первый раз, структурный сдвиг в теллуриде германия, вызванный лазерными импульсами. Тем не менее, они также увидели что-то большее: неизвестный ранее промежуточный этап, который появляется при переходе от кристаллической конфигурации к аморфной. Поскольку переход через промежуточную фазу занимает дополнительное время, исследователи полагают, что она представляет собой физический предел того, как быстро может произойти переход в целом - и как быстро данные могут быть записаны, независимо от используемых лазерных скоростей.
Несмотря на выявление таких ограничений, исследование может в один прекрасный день способствовать развитию более лучшего хранения данных для компьютеров, по словам исследователей. Сейчас, как правило, компьютеры хранят информацию несколькими способами, среди которых хорошо известны оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Оперативная память, которая используется для запуска программ на компьютере, может записывать и переписывать информацию очень быстро с помощью электрического тока. Тем не менее, информация теряется при выключении компьютера. ПЗУ, в том числе компакт-диски и DVD-диски, использует изменение фазы материалов и лазеры для хранения информации. Хотя ПЗУ записывает и считывает данные медленнее, информация может храниться в течение многих десятилетий.
Поиск путей для ускорения процесса записи со сменой фаз материалов и понимание пределов этой скорости может привести к новому типу памяти, который возьмет все самое лучшее из ОЗУ и ПЗУ. По словам исследователей, их следующий шаг будет заключаться в использовании сверхбыстрой электронной кристаллографии для изучения перехода аморфной атомной структуры теллурида германия обратно в кристаллическую фазу – что сопоставимый с явлением, которое происходит при стирании и последующей перезаписывании DVD диска.
Хотя эти приложения могут привести к захватывающим изменениям для будущих компьютерных технологий, эта работа также очень важна с фундаментальной точки зрения. Понимание фундаментального поведения преобразования материалов и новые методы, разработанные в Калифорнийском технологическом институте, позволяет визуализировать подобное поведение в пространстве и времени.
|
