Ressort Presse

• von Birte Vierjahn
• 14.06.2019

Mit Phasenwechselmaterialien erreicht die neueste Generation von Smartphones höhere Speicherdichten und Energieeffizienz. Bisher war jedoch nicht bekannt, was dabei auf atomarer Ebene geschieht. In einem heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel zeigen Wissenschaftler unter der Leitung der UDE und des European XFEL in Hamburg, dass ein Wechsel des chemischen Bindungsmechanismus in der flüssigen Phase dieser Materialien die Datenspeicherung ermöglicht.

Phasenwechselmaterialien werden beispielsweise als Ersatz für Flash-Laufwerke in Smartphones der neuesten Generation eingesetzt. Erwärmt ein elektrischer Impuls diese Materialien lokal, wechseln sie von einem glasartigen in einen kristallinen Zustand – und umgekehrt. Diese beiden verschiedenen Zustände entsprechen der '0' und '1' des Binärcodes.

Um Informationen mit Phasenwechselmaterialien zu speichern, müssen diese aus dem flüssigen Zustand sehr schnell abgekühlt werden, so dass sie in einen glasartigen Zustand gelangen, ohne zu kristallisieren. Dieser Zustand muss außerdem bei Normalbedingungen stabil sein, damit die Daten erhalten bleiben. Bei hohen Temperaturen hingegen muss das gleiche Material sehr schnell kristallisieren, um Informationen zu löschen.

Die Wissenschaftler nutzten die extrem kurzen und intensiven Röntgenpulse der Linac Coherent Light Source in Kalifornien, um mittels Femtosekunden-Röntgenbeugung die atomaren Veränderungen sichtbar zu machen: Sie fanden heraus, dass sich die Flüssigkeit strukturell verändert, wenn sie ausreichend weit unter die Schmelztemperatur abgekühlt wird. Simulationen zeigten zudem, dass die Tieftemperaturflüssigkeit weniger metallisch und starrer gebunden ist als die Hochtemperaturflüssigkeit. Erst dadurch können Daten langfristig gespeichert werden.

Dr. Peter Zalden, Wissenschaftler am European XFEL und Erstautor der Studie, erklärt: „Die Speichertechnologie hat eine Skalierungsgrenze erreicht. Wir brauchen neue Konzepte, um die Datenmengen zu speichern, die wir in Zukunft produzieren werden. Unsere Studie zeigt, wie der Umschaltvorgang mit einer vielversprechenden neuen, auf Glasbildung basierenden Technologie schnell und zuverlässig zugleich sein kann."

Projektinitiator Dr. Klaus Sokolowski-Tinten, UDE, ergänzt: „„Auch andere Materialen bilden ein Glas, wenn man sie aus der flüssigen Phase sehr schnell auf Temperaturen deutlich unterhalb des Schmelzpunktes abkühlt. Im nächsten Schritt wollen wir die jetzigen Ergebnisse und unseren zeit-aufgelösten Ansatz nutzen, um zu verstehen, wie sich generell solche stark unterkühlten Flüssigkeiten verhalten.“

Originalveröffentlichung:
Femtosecond X-ray diffraction reveals a liquid-liquid phase transition in phase-change materials. Science 14 Jun 2019 : 1062-1067, DOI: 10.1126/science.aaw1773
https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1062.editor-summary

Weitere Informationen:
https://www.uni-due.de/cenide/news_one.php/1313
Dr. Klaus Sokolowski-Tinten, Tel. 0203/37 9-4561, klaus.sokolowski-tinten@uni-due.de
Dr. Peter Zalden, Tel. 040/8998-6828, peter.zalden@xfel.eu

Redaktion:
Dr. Rosemary Wilson, European XFEL, Tel 040/8998-6729, rosemary.wilson@xfel.eu
Birte Vierjahn, Center for Nanointegration Duisburg-Essen, Tel. 0203/37 9-8176, birte.vierjahn@uni-due.de