超快激光開啟儲存新紀元

當今，DVD和藍光盤使用納秒脈沖激光在不同原子狀態—各種晶體和非晶體結構下的相變材料(PCM)上刻錄信息。為了更加全面地理解這些狀態變化時標，并提升數據刻錄的速度限制，加州理工學院的研究者們采用了超快電子晶體(UCE:Ultrafast Electron Crystallography)技術來直接監測PCM的瞬態原子構型。

當今，納秒激光在納秒級時間內把相變材料從有序的晶體轉變為非晶態(從數字數據“0”變為“1”)。然而，在飛秒時間度運行的超快激光則可以探索PCM轉變是受激光速度限制還是受根本相變材料物理性質限制。

本次UCE實驗中，晶體碲化鍺(GeTe)—典型相變材料的納米薄膜—被飛秒激光脈沖照射，緊接著又被電子超短脈沖照射。因為激光使晶體結構轉為非晶態，電子束被散射為電子衍射圖樣，從而顯示原子結構“圖”。通過監控衍射圖案作為初始激光脈沖和探測電子脈沖之間的延遲時間功能，有可能探測物質原子標度行為的演化，在空間和時間維度提供一個高空間和時間分辨率的4D形象。

就GeTe而言，晶體菱形結構并不立即轉變到非晶態;菱形結構過渡到中間立方結構需要12 ps。在更長的時間尺度上—幾百皮秒—納米薄膜加熱達到平衡，方可實現非晶態，只要系統處于高能量激發狀態并快速淬火。

超快電子結晶技術一般用于探索相變材料在從晶體向非晶體轉變過程中的狀態。飛秒激光脈沖和超短電子脈沖用于以4D(空間和時間)形式恢復GeTe納米薄膜的動力。中間立方結構是第一次在試驗中被觀察到，可以為確定這些材料性能限度起重要作用。

中間立方階段的存在是首次在加州理工學院實驗被觀測到，并只能通過使用UCE方法的高原子靈敏度實現觀測。這些結果同樣可以為PCM提供更清晰的概貌。因為數據刻錄依靠兩種清晰定義的原子階段，另外中間結構(最終非晶態的前兆)限制了晶體至非晶態過渡時間，并相應限制了數據刻錄的潛在速度，不管激光速度有多快。

“僅僅由于這些相干材料的物理性質，即使采用比飛秒還快的激光，晶體向非晶態轉變的速度和數據存儲的時間都會受到限制”，加州理工學院博士后兼本次研究的作者Giovanni Vanacore表示。“這不是一個可以從技術上解決的問題——而是根本上無法改變的”，加州理工學院博士后兼本次研究第一作者Jianbo Hu說。