Fortgeschrittene Mikroskoptechniken könnten den Weg für verbesserte Computerspeicher ebnen

Jeder, der im Winter Dampf aus einem kochenden Kessel aufsteigen oder Eiskristalle auf einem nassen Fenster gesehen hat, hat beobachtet, was Wissenschaftler einen Phasenübergang nennen.

Phasenübergänge – etwa zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen – treten in allen möglichen Substanzen auf, und sie können schnell oder langsam ablaufen. Wissenschaftler planen, Phasenübergänge zu nutzen, um die elektronischen, strukturellen oder magnetischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu steuern, während sie diesen Änderungen unterliegen, beispielsweise für den Einsatz in neuartigen Computerspeichern.

In der neuen Studie konnten die Forscher zum ersten Mal einen strukturellen Phasenübergang im kleinsten Detail auf einer sehr schnellen Zeitskala betrachten. Die Wissenschaftler machten Röntgenaufnahmen, die weniger als ein Zehntel einer Milliardstel Sekunde voneinander entfernt sind, durch eine Technik namens Nanobeugungsmikroskopie. „Ein typisches Video könnte mit 30 Bildern pro Sekunde abgespielt werden, also handelt es sich ungefähr um ein Zeitlupenvideo, das extrem schnelle Dynamiken auflösen kann“, sagte Haidan Wen, Physiker am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).

Die Fähigkeit, die Entwicklung des Materialverhaltens zeitlich und räumlich so genau zu verfolgen, hat ungewöhnliche Verhaltensweisen in bestimmten Materialien offenbart, die eine Phasenänderung durchlaufen, darunter viele magnetische Materialien.

„Wir sind in der Lage, zeitlich und räumlich auf eine Weise in eine Probe hineinzuzoomen, wie wir es noch nie zuvor konnten“, sagte Youngjun Ahn, der Erstautor der Studie. Ahn ist ein ehemaliger Doktorandenpraktikant bei Argonne von der University of Wisconsin-Madison. Für diese Arbeit arbeitete er eng mit Wen zusammen. „Diese Methode gibt uns einen genauen Überblick über strukturelle Veränderungen in unserer Probe, die mit jeder anderen Methode schwer zu erkennen sind“, sagte Ahn.

Die Studie verwendete die Hard X-Ray Nanoprobe, die vom Center for Nanoscale Materials (CNM) an der Advanced Photon Source (APS) in Argonne betrieben wird. APS und CNM sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

Bei der Untersuchung von Phasenübergängen in einer Eisen-Rhodium-Verbindung fanden die Forscher einen Weg, um zu beobachten, wie sich die Struktur der Verbindung zwischen zwei magnetischen Konfigurationen ändert. Die Veränderung verursacht eine sehr kleine Ausdehnung des atomaren Netzwerks – aber genug, um erhebliche Auswirkungen auf den Magnetismus zu haben.

Wissenschaftler können die magnetischen Phasen nutzen, um eine neue Art magnetischer Speicher zu schaffen, die schneller und energieeffizienter zu sein verspricht als herkömmliche Datenspeicher. In allen magnetischen Materialien kann die Manipulation von Phasenübergängen um die kritische Temperatur herum, bei der sie auftreten, der Schlüssel sein, um ein informationsspeicherndes Bit zwischen einer „1“ und einer „0“ umschalten zu können.

Um kompakte magnetische Speicher herzustellen, müssen Wissenschaftler eine Möglichkeit finden, sie präzise zu manipulieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist eine lokale Temperaturänderung.

Durch das Erhitzen eines magnetischen Bits könnten Wissenschaftler möglicherweise die Rekonfiguration herbeiführen, die sie zum Codieren von Informationen mit weniger Energieverbrauch verwenden, was als wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung bekannt ist. „Eines der Dinge, die an diesem speziellen Material – Eisen-Rhodium – sehr interessant sind, ist, dass es einen Phasenübergang bei einer Temperatur hat, die für diese Art von Anwendungen verwendet werden könnte“, sagte Professor Paul Evans von der University of Wisconsin-Madison. „Aber um die Arten von Manipulationen durchzuführen, an denen wir interessiert sind, brauchen wir eine bessere ‚Kamera‘. Deshalb ist es wichtig, diese neu entwickelte Technik zu verwenden, um sie zu untersuchen.“

„Der Schlüsselaspekt unseres Experiments ist, dass wir in der Lage sind, mit hoher Präzision auf die extrem kleinen Regionen des Raums oder schnelle Momente in der Zeit zuzugreifen, was es uns ermöglicht, Dynamiken im Nanomaßstab aufzudecken, die zuvor nicht erkannt wurden“, fügt Wen hinzu, der die Arbeit konzipiert hat .

Das bevorstehende Upgrade auf das APS wird erhebliche Auswirkungen auf weitere Experimente haben, die diese Art von Phasenübergängen visualisieren. „Nach dem APS-Upgrade“, sagte Argonne-Röntgenwissenschaftler Martin Holt, „erwarten wir eine höhere räumliche Auflösung, insbesondere durch die Nutzung der verbesserten Kohärenz des Röntgenstrahls. Unsere Entwicklung einer ultraschnellen Zeitauflösung innerhalb dieser Art von Die Röntgenmikroskopie hilft uns dabei, die Ursachen der von uns beobachteten Wirkungsarten zu verstehen. Dies ist eine einzigartige Fähigkeit, die das aktualisierte APS bieten kann.“

Eine auf der Studie basierende Veröffentlichung „Röntgen-Nanobeugungsbildgebung offenbart eine ausgeprägte nanoskopische Dynamik eines ultraschnellen Phasenübergangs“ erschien in Proceedings of the National Academy of Sciences.