Sumodeliuoti faziniai virsmai DVD gamyboje naudojamose medžiagose  (3)

Nors DVD diskuose įrašyti filmai ar muzika tapo neatsiejama kasdienio mūsų gyvenimo dalimi, fizikai vis dar laužo galvas bandydami suprasti, kaip tiksliai veikia informacijos saugojimo mechanizmas šiose laikmenose. Paskutiniajame prestižinio žurnalo „Nature Materials“ numeryje tyrėjai iš Vokietijos bei Japonijos pateikia reikšmingų įžvalgų apie skaitymo ir įrašymo procesą DVD diskuose. Manoma, kad naujos žinios turėtų praversti tobulinant informacijos saugojimo laikmenas.

DVD diskuose informacija yra saugoma mikroskopinių bitų (kiekvieno jų dydis nesiekia nė 100 nanometrų) pavidalu ploname polikristalinio lydinio, sudaryto iš kelių elementų, sluoksnyje. Bitai gali turėti netvarkingą (amorfinę) arba tvarkingą (kristalinę) sandarą. Perėjimas iš vienos fazės į kitą tetrunka kelias nanosekundes, be to, jį galima nesunkiai sužadinti lazerio impulsu. Įprastinės medžiagos tokioms laikmenoms kaip, pavyzdžiui, DVD-RAM arba „Blu-ray“ diskams, yra gaminamos iš germanio (Ge), stibio (Sb) ir telūro (Te), todėl dažnai trumpinamos tiesiog GST – pagal pirmąsias elementų raides. Populiariausi lydiniai DVD-RW diskams vadinami AIST, nes jų sudėtyje yra nedideli kiekiai sidabro (Ag) ir indžio (In), taip pat stibio (Sb) ir telūro (Te).

„Nors abi lydinių šeimos yra sudarytos iš stibio ir telūro, todėl turi daug ką bendro, vis dėlto fazinių virsmų mechanizmai ganėtinai skiriasi“, – aiškina kartu su tarptautine mokslininkų komanda dirbęs Robertas Džounsas (Robert Jones) iš Julicho tyrimų centro. Be eksperimentinių duomenų ir rentgeno spektrų, kuriuos pavyko užfiksuoti Japonijoje pastatytu didžiausiu tokiu tipo sinchrotronu pasaulyje SPring-8, tyrėjų komanda analizavo ir sudėtingų skaičiavimų, atliktų superkompiuteriu EUGENE, rezultatus. Toks eksperimentinių ir teorinių metodų derinimas leido pirmą kartą nustatyti abiejų fazių sandaras bei sukurti modelį, paaiškinantį staigų fazinį virsmą.

Fazinis virsmas AIST medžiagose prasideda nuo bito išorės, kur jis ribojasi su kristaline aplinka, ir toliau pereina į bito vidų. „Nature Materials“ išspausdintame straipsnyje tyrėjai visa tai aiškina naudodami „ryšio mainų modelį“, kuriame vietinę amorfinio bito aplinką keičia nedideli stibio atomo poslinkiai. Dėl daugybės tokių mikroskopinių žingsnelių ir įvyksta kristalizacija – tam nebūtinos laisvos sritys ar stambūs postūmiai. Stibio atomai, paveikti lazerio spinduliuote, paprasčiausiai perorientuoja ryšio jėgas, susietas su dviem kaimyniniais atomais.

Ta pati mokslininkų komanda kiek anksčiau išsiaiškino fazinio virsmo mechanizmą GST medžiagose. Čia amorfinis bitas kristalizuojasi dėl tam tikrų branduoliukų susidarymo – bito viduje ima formuotis maži kristalitai, kol galiausiai jie užpildo visą bito tūrį. Virsmo spartą galima paaiškinti pastebint, jog amorfinės ir kristalinės fazės turi tuos pačius struktūrinius vienetus, vadinamuosius ABAB žiedus. Šie keturių elementų žiedai sudaryti iš dviejų germanio arba stibio atomų (A) ir dviejų telūro atomų (B). Įdomu tai, kad ABAB žiedai gali persitvarkyti laisvoje erdvėje praktiškai nenutraukdami tarpusavio atominių ryšių.

Amorfinės AIST sandaros skaičiavimas savo apimti kol kas yra didžiausias tokio pobūdžio kada nors atliktas modeliavimas. Norėdami reikiamu tikslumu sumodeliuoti 640 atomų sistemą, tyrėjai panaudojo 4000 tūkst. EUGENE superkompiuterio procesorių ir daugiau nei 4 mėnesius skaičiavimo laiko. Be įspūdingų kompiuterinių resursų mokslininkams prireikė tiek gerų skaičiavimo įgūdžių, tiek deramo kondensuotųjų medžiagų fizikos išmanymo. „Julicho tyrimų centras yra viena iš kelių vietų pasaulyje, kur visa tai galima surasti po vienu stogu“, – prideda R. Džounsas.

Geresnis teorinis išmanymas apie procesus, vykstančius įrašant ar ištrinant DVD diskus, padės sukurti fazinių virsmų pagrindu veikiančias duomenų saugojimo laikmenas, pasižyminčias ilgaamžiškumu, didesne talpa bei mažesne kreipties trukme.

Aut. teisės: MokslasPlius
MokslasPlius

(0)
(0)
(0)

Komentarai (3)