Jülicher Forscher enträtseln DVD-Funktionsweise

Forschung & Wissenschaft Physikern des Forschungszentrums Jülich, einem Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, ist es gelungen, bislang ungelöste Strukturfragen phasenwechselnder Materialen am Beispiel der Legierung Ge2Sb2Te5 (GST) aufzuklären. GST bildet das "Gedächtnis" mehrfach beschreibbarer optischer Speichermedien, wie DVD-RAM. Ähnliche Materialien werden auch in Blu-ray-Discs eingesetzt. GST lässt sich zwischen zwei verschiedenen Zuständen, sogenannten Phasen, umschalten, einem regelmäßig geordneten "kristallinen" und einem eher ungeordneten "amorphen".

Dadurch lassen sich Informationen einschreiben und speichern. Durch unterschiedliche Reflektionseigenschaften der beiden Zustände können die gespeicherten Informationen wieder ausgelesen werden. Das Umschalten geschieht wie auch das Auslesen mit einem Laser.

"Obwohl seit den 1990er-Jahren optische Speichermedien auf Basis von GST auf dem Markt sind, herrschte bis jetzt Unklarheit, wie das Schalten auf atomarer Ebene abläuft", erklärte Robert Jones, Physiker am Forschungszentrum Jülich. "Die Umordnung der Atome verläuft in sehr kurzer Zeit, innerhalb von einigen Nanosekunden. Das hat die Frage aufgeworfen, wie die Struktur beschaffen sein muss, damit das möglich ist."

Die Klärung dieser Frage war allerdings notwendig, um bessere Materialien zu finden. Die Jülicher Physiker lösten die Frage nun mit einem schrittweisen Prozess. Sie simulierten mittels des Supercomputers JUGENE, was passiert, wenn geschmolzenes GST-Material zu einer amorphen Masse abkühlt, wie es beim Einschreiben von Informationen passiert.

Ausgehend von einer ersten Berechnung passten sie ihr Modell mittels experimenteller Daten der japanischen Kooperationspartner vom Synchrotron SPring-8 Stück für Stück an, bis das Ergebnis schlüssig war.

Was ihre Untersuchungen von anderen abhebt, ist die große Dimension: 460 Atome wurden über den vergleichweise langen Zeitraum von 300 Pikosekunden untersucht. Annähernd so lang dauert es im Experiment, bis die Atome sich neu geordnet haben. Rund 4 000 der Prozessoren des Jülicher Rechners waren damit etwa vier Monate ausgelastet.

"Nur an wenigen Orten auf der Welt ist es möglich, soviel Rechenleistung zu bekommen", sagte Jones. "Dadurch waren wir in der Lage, die strukturellen Voraussetzungen zu identifizieren, die die Schlüsselfaktoren für den schnellen Phasenübergang in GST bilden."

Bei den Schlüsselfaktoren handelt es sich um viereckige Bausteine aus Atomen, die sowohl im amorphen als auch im kristallinen Material vorkommen. Jeder Baustein besteht aus vier ringförmig angeordneten Atomen, von denen jedes zweite ein Tellur-Atom ist. Die beiden übrigen sind entweder Antimon- oder Germanium-Atome. Als weiterer Faktor sind Hohlräume unerlässlich, die den Bausteinen ermöglichen, sich umzuordnen, ohne viele atomare Bindungen zu brechen. Mittels eines Lasers werden dann die richtigen Bedingungen für den raschen Phasenwechsel geschaffen.

Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis phasenwechselnder Speichermaterialien und zur Entwicklung von Designregeln für neue Datenspeicher. Ziel ist es hierbei, wichtige Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung vorherzusagen und Materialien gezielt zu entwerfen.
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