Schritte zur Verbesserung der Datenspeicherung machen

Ein Team von Wissenschaftlern hat die weltweit stärksten elektromagnetischen Impulse im Terahertz-Bereich entwickelt, um bis ins Detail zu steuern, wie ein Datenspeichermaterial die physische Form wechselt. Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, Speichergeräte zu verkleinern und schließlich die Art und Weise, wie Computer mit Informationen umgehen, zu revolutionieren.

Compact Discs mögen aus der Mode gekommen sein, aber sie haben vielleicht die nächste Generation der Computer-Nanotechnologie inspiriert. Eine Glasschicht in CDs besteht aus einem Phasenwechselmaterial, das mit Informationen kodiert werden kann, wenn Lichtimpulse Kristalle in kleinen Bereichen der Schicht entweder wachsen oder schmelzen lassen.

Phasenwechselmaterialien, die durch elektrische Impulse ausgelöst werden – und nicht durch Licht – würden neue Speichertechnologien mit einem stabileren und schnelleren Betrieb bieten, als dies bei vielen aktuellen Arten von Speichergeräten möglich ist. Darüber hinaus könnte die Verkleinerung von Speicherstellen in Phasenwechselmaterialien die Speicherdichte erhöhen. Aber das bleibt eine Herausforderung, da es schwierig ist, den Kristallisations- und Amorphisierungsprozess (Schmelzen) zu kontrollieren.

In einem Artikel in Physical Review Letters beobachtete ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Universität Kyoto das Wachstum einzelner Kristalle im Nanometerbereich in einem Phasenwechselmaterial aus Germanium, Antimon und Tellur – oder GST – nachdem sie leistungsstarke Terahertz-Impulse als Auslöser verwendet hatten.

„Ein Grund, warum die Kristallisation und Amorphisierung von GST unter einem elektrischen Feld schwer zu kontrollieren ist, sind die mit elektrischen Eingängen verbundenen Wärmediffusionseffekte im Mikrometerbereich, die ebenfalls zur Kristallisation beitragen“, erklärt Gruppenleiter Hideki Hirori. „Glücklicherweise sind die Terahertz-Technologien so weit gereift, dass wir mit kurzen Impulsen starke elektrische Felder erzeugen und gleichzeitig Erwärmungseffekte unterdrücken können.“

Hirori und seine Mitarbeiter entwickelten einen Terahertz-Pulsgenerator, der ultrakurze und sehr intensive Terahertz-Impulse über ein Paar Goldantennen lieferte. Diese Impulse erzeugten ein elektrisches Feld in der GST-Probe, vergleichbar mit dem eines elektrisch geschalteten Gerätes. Wichtig ist, dass dieser Ansatz die Wärmediffusion aufgrund der extrem kurzen Dauer der Terahertz-Impulse – etwa 1 Pikosekunde oder 10-12 Sekunden – stark reduziert, was eine Feinsteuerung der Rate und Richtung der GST-Kristallisation ermöglicht. Ein Bereich der Kristallisation wuchs in einer geraden Linie zwischen den Goldantennen in Richtung Feld, bei einigen Nanometern pro Puls.

Als das Team die schrittweisen Veränderungen der Kristallisation bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Terahertz-Impulse verfolgte, waren sie überrascht, dass die Kristallleitfähigkeit ab einem bestimmten Punkt schnell anstieg, anstatt mit der Zunahme der Terahertz-Stärke zu steigen. Die Forscher vermuten, dass Elektronen, die zwischen den Zuständen im Kristall springen, dem System eine unerwartete Wärmequelle hinzufügten und die Kristallisation verstärkten.

erklärt Hirori: „Unser Experiment zeigt, wie nanoskaliges und richtungskontrolliertes Wachstum von Kristallen in GST erreicht werden kann. Wir haben auch ein Phänomen identifiziert, das bei der Entwicklung neuer Geräte helfen und letztendlich das schnelle und stabile Potenzial für den Umgang mit digitalen Informationen erkennen sollte, das dieses Material verspricht.“

Mehr Informationen:
Yasuyuki Sanari et al, Zener Tunneling Breakdown in Phase-Change Materials enthüllt durch Intense Terahertz Pulses, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.165702

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