超快激光开启储存新纪元速度极限仍难突破

2015-10-17 00:06

　　当今的DVD和蓝光盘使用纳秒脉冲激光在不同原子状态——各种晶体和非晶体结构下的相变材料（PCM）上刻录信息。为了更加全面地理解这些状态变化时标，并提升数据刻录的速度限制，加州理工学院的研究者们采用了超快电子晶体（UCE：ultrafast electron crystallography）技术来直接监测PCM的瞬态原子构型。

　　纳秒时标之外

　　当今的纳秒激光在纳秒级时间内把相变才材料从有序的晶体转变为非晶态（从数字数据“0”变为“1”）。然而，在飞秒时间度运行的超快激光则可以探索PCM转变是受激光速度限制还是受根本相变材料物理性质限制。

　　本次UCE实验中，晶体碲化锗(GeTe：germanium telluride)——典型相变材料的纳米薄膜——被飞秒激光脉冲照射，紧接着又被电子超短脉冲照射。因为激光使晶体结构转为非晶态，电子束被散射为?衍射图样，从而显示原子结构“图”。通过监控衍射图案作为初始激光脉冲和探测电子脉冲之间的延迟时间功能，有可能在物质原子标度行为的时候检索演化，在空间和时间维度提供一个高空间和时间分辨率的4D形象。

　　就GeTe而言，晶体菱形结构并不立即转变到非晶态；菱形结构过渡到中间立方结构需要12皮秒（见下图）。在更长的时间尺度上——几百皮秒——纳米薄膜加热达到平衡，方可实现非晶态，只要系统处于高能量激发状态并快速淬火。

　　超快电子结晶技术一般用于探索相变材料在从晶体向非晶体转变过程中的状态。飞秒激光脉冲和超短电子脉冲用于以4D（空间和时间）形式恢复碲化锗纳米薄膜的动力。中间立方结构是第一次在试验中被观察到，可以为确定这些材料性能限度起重要作用。（图片来源：加州理工学院）

　　中间立方阶段的存在是首次在加州理工学院实验被观测到，并只能通过使用UCE方法的高原子灵敏度实现观测。这些结果同样可以为PCM提供更清晰的概貌。因为数据刻录依靠两种清晰定义的原子阶段，另外中间结构（最终非晶态的前兆）限制了晶体至非晶态过渡时间，并相应限制了数据刻录的潜在速度，不管激光速度有多快。

　　“仅仅由于这些相干材料的物理性质，即使采用比飞秒还快的激光，晶体向非晶态转变的速度和数据存储的时间都会受到限制”。加州理工学院博士后兼本次研究的作者Giovanni Vanacore表示。“这不是一个可以从技术上解决的问题——而是根本上无法改变的。”加州理工学院博士后兼本次研究第一作者Jianbo Hu说。