Láser libre de electrones del European XFEL
Láser libre de electrones del European XFEL.

Los materiales de cambio de fase que son utilizados en la última generación de teléfonos inteligentes podrían conducir a una mayor capacidad de almacenaje y eficiencia energética. Los datos se almacenan al cambiar entre los estados vítreo y cristalino del material, al aplicar un pulso de calor. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible estudiar qué sucede a nivel atómico durante este proceso.

En un artículo publicado ayer 14 de junio en la revista Science, un grupo de científicos, liderado por investigadores del European XFEL y University of Duisburg-Essen en Alemania, con científicos del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), describe cómo utilizaron las capacidades del láser de rayos X libre de electrones en el Linac Coherent Light Source (LCLS), para mostrar que una transición en el mecanismo de enlace químico permite el almacenamiento de datos en estos materiales. Los resultados se pueden utilizar para optimizar los materiales de cambio de fase para tecnologías de almacenamiento de datos más rápidas y eficientes. También proporcionan nuevos conocimientos sobre el proceso de formación de vidrio.

La necesidad de más capacidad de almacenaje

Con el incremento de la cantidad de datos que estamos almacenando en los dispositivos actuales, como los smartphones, necesitamos nuestras técnicas para almacenar incluso más información”, comenta Stefan Hau-Riege, del LLNL y coautor del artículo.

Los materiales de cambio de fase hechos de los elementos antimonio, telurio y germanio se pueden usar para almacenar cantidades cada vez mayores de datos, y hacerlo de manera rápida y eficiente. Se utilizan, por ejemplo, en reemplazos de unidades flash en la última generación de teléfonos inteligentes. Cuando se aplica un impulso eléctrico u óptico para calentar estos materiales localmente, cambian de un estado vítreo a otro cristalino, y viceversa. Estos dos estados diferentes representan el “0” y el “1” del código binario necesario para almacenar información. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible resolver cómo se producen exactamente estos cambios de estado a un nivel atómico.

En un experimento en el LCLS, el equipo de investigación utilizó una técnica llamada difracción de rayos X de femtosegundos para estudiar los cambios atómicos que tienen lugar cuando los materiales cambian de estado. En el experimento que tuvo lugar antes de que el XFEL europeo estuviera operativo, se utilizó por primera vez un láser óptico para activar el cambio de material entre los estados cristalino y vítreo. Durante este proceso extremadamente rápido, el láser de rayos X se utilizó para tomar imágenes de la estructura atómica. Solo los láseres de electrones libres de rayos X, como LCLS o XFEL europeo, producen pulsos que son lo suficientemente cortos e intensos para capturar instantáneas de los cambios atómicos que ocurren en tan cortos marcos de tiempo. Los científicos reunieron más de 10.000 imágenes, que arrojan luz sobre la secuencia de los cambios atómicos que tienen lugar durante el proceso.

¿Qué es necesario para almacenar la información con estos materiales?

Para almacenar información con materiales de cambio de fase, estos deben ser enfriados rápidamente para entrar en un estado vítreo sin cristalizar. También deben permanecer en este estado vítreo todo el tiempo de almacenaje de los datos. Esto significa que el proceso de cristalización debe ser muy lento, hasta el punto de estar casi ausente, como es el caso del vidrio ordinario. A altas temperaturas, sin embargo, el mismo material debe ser capaz de cristalizar muy rápido para eliminar la información. Que un material pueda formarse como vidrio estable, pero al mismo tiempo se vuelva muy inestable a temperaturas elevadas ha desconcertado a los investigadores durante décadas.

En su experimento, los investigadores estudiaron el proceso de enfriamiento rápido mediante el cual se forma un vidrio. Encontraron que cuando el líquido se enfría suficientemente por debajo de la temperatura de fusión, sufre un cambio estructural para formar otro líquido a baja temperatura. Este líquido de baja temperatura se puede observar sólo en escalas de tiempo muy cortas, antes de que tenga lugar la cristalización. Los dos líquidos diferentes no sólo tenían estructuras atómicas muy diferentes, sino también comportamientos diferentes: el líquido a alta temperatura tiene una alta movilidad atómica que permite que los átomos cristalicen, es decir, que se acomoden en una estructura bien ordenada. Sin embargo, cuando el líquido pasa por debajo de cierta temperatura, del punto de ebullición, algunos enlaces químicos se vuelven más fuertes y más rígidos y pueden mantener la estructura atómica desordenada del vidrio en su lugar. Es sólo la naturaleza rígida de estos enlaces químicos lo que impide la transformación y, en el caso de los dispositivos de memoria de cambio de fase, asegura la que la información sea almacenada.

Una tecnología rápida y fiable

La tecnología actual de almacenaje de datos ha llegado a un límite de escala, por lo que se necesitan nuevos conceptos para almacenar las cantidades de datos que produciremos en el futuro”, comenta Peter Zalden, científico en el European XFEL y coautor líder del estudio. “Nuestro estudio explica cómo el proceso de conmutación es una promesa de una futura y nueva tecnología, que puede ser rápida y fiable al mismo tiempo”.

Los resultados también ayudan a comprender cómo otros tipos de materiales forman vidrios. Experimentos similares ya están programados en el European XFEL, donde los pulsos de femtosegundos son lo suficientemente cortos e intensos para realizar capturas de estos procesos rápidos.

Fuente: Science.

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