Materiallabor Computer
Phasenwechselmaterialien: die Zukunft der Computerspeicher?
Phasenwechselmaterialien (phase change materials, PCM) sind führende Kandidaten für künftige Computerspeicher (random access memory, RAM) und wiederbeschreibbare optische Speicher (CD-RW, DVD-RW, Blu-ray Disc, u.s.w.). Der Kampf um die Nachfolge der DVD (digital versatile disc) ist 2008 zugunsten der Blu-ray Disc entschieden, und die Spreicherschicht von allen BD-Produkten besteht aus PC-Materialien. Information wird in der Form von mikroskopischen (kleiner als 100 nm Durchmesser) "Bits" in einer dünnen Schicht einer polykristallinen Legierung gespeichert, die aus mehreren Elementen besteht. Diese Bits können eine ungeordnete (amorphe) oder eine geordnete (kristalline) Struktur annehmen, und der Übergang zwischen den beiden kann äußerst schnell (~10 Nanosekunden) und umkehrbar geschaltet werden. Amorphe Bits entstehen durch Abschrecken nach einem kurzen (ca. 1 ns), lokalisierten Laserpuls, der die Temperatur des Bits bis oberhalb des Schmelzpunkts erhöht. Nach einem zweiten, längeren Laserpuls (~ 10 ns), in dem die Temperatur des Bits unterhalb des Schmelzpunkts bleibt, kehrt die Struktur in die metastabile, kristalline Form zurück. Den Zustand des Bits bestimmt man über die optischen Eigenschaften.
Die erforderlichen physikalischen Eigenschaften der PCM, insbesondere die schnelle Kristallisierung, werden durch relativ wenige Materialien erfüllt. Seit einigen Jahren werden Legierungen aus drei oder vier Elementen bevorzugt; viele davon enthalten Germanium (Ge), Antimon (Sb), und Tellur (Te) ["GST" Legierungen, die oft in BD Anwendungen vorkommen] oder sind Legierungen aus Sb (70%) und Te (30%), mit geringen Mengen von Silber (Ag) und Indium (In), die sogenannten "AIST" Legierungen. Letztere finden eine weit verbreitete Anwendung in DVD-RW Geräten. Beide Familien enthalten Sb und Te, aber die PC-Mechanismen sind deutlich verschieden. In GST-Legierungen kristallisieren die Bits durch Keimbildung, d.h. kleine Kristalliten im Innern des Bits wachsen, bis sie das gesamte Bit abdecken. Der Phasenwechsel in AIST Legierungen beginnt am kristallinen Rand des Bits und läuft nach Innen. Wir haben ausführliche Simulationen durchgeführt, um die amorphe Struktur von representativen Mitgliedern *beider* Familien zu bestimmen und plausible Szenarien für den Phasenwechselmechanismus vorzuschlagen. In AIST haben wir einen Bindungaustausch-Modell vorgeschlagen, wobei die lokale des Bits durch kleine Bewegungen eines Sb Atoms geändert wird, so dass der Umtausch von einer "langen" zu einer "kurzen" Bindung stattfindet. Eine Sequenz oder "Lawine" vieler solcher Prozesse führt dazu, dass eine Kristallisierung stattfindet, ohne große Atombewegungen zu erfordern.
R. O. Jones J. Akola
Biologische und organische Reaktionen
Die Kombination von Biologie und Informatik gehört zu den größten Wachstumgebieten der Wissenschaft, und die Verfügbarkeit von massiv parallelen Rechnern hat einen wichtigen Beitrag geleistet. Trotz der vielen Anwendungen bei der Entwicklung von Arzneien, der Bestimmung der Gene in DNS-Sequenzen und der Proteinstrukturen von deren Sequenzen, bleibt jedoch für die Untersuchung von Reaktionen in biologischen Molekülen auf *atomistischen* Längenskalen noch viel zu tun. Der Dichtefunktionalformalismus liefert prinzipiell ein Mittel, um solche Probleme zu untersuchen, aber selbst die leistungsfähigsten Rechner von heute können kaum mehr als 1000 Atome auf Zeitskalen von einigen Hundert Pikosekunden behandeln. Sie taugen kaum für die meisten Probleme in der Biologie, wo Zehntausende Atome über Mikrosekunden oder viel länger behandelt werden müssen. Solche Probleme verlangen die Anwendung von klassischen Kraftfeldern, und wir haben sie in einer Untersuchung von ABC-Transportern (Adenosin 5'-Triphosphat Bindungs-Kassetten-Transporter) benutzt. ABC-Transporter sind Membranproteine, die aktiv Substrate durch Lipid-Bischichten transportieren, und das Protein Sav1866 gehört dazu. Sav1866 ist durch die Analyse von einer Form des Bakteriums staphylococcus aureus entdeckt worden, die gegen Antibiotika resistent war. Wir haben die Struktur von Sav1866 in einer Lipid-Bischicht mittels Simulationen von ca. 200000 Atome über Zeiten von über 1 Mikrosekunde untersucht.
R. O. Jones, J. Akola, J.-H. Lin (Taipei)
(Thermo-)Mechanische Eigenschaften von Materialien
Die DF-Methode ist in der Lage, Energien als Funktion der atomaren Koordinaten zu bestimmen, und sollte Eigenschaften wie thermische Ausdehnungskoeffizienten oder elastische Konstanten von kristallinen Festkörpern vorhersagen. Die Theorie der thermischen Ausdehnung von Born und Grüneisen erfordert eine Berechnung der Phononenfrequenzen und ihre Veränderungen mit Änderungen in der Größe der Einheitszelle. Dies ist eine große Herausforderung und unsere Erklärung der thermischen Ausdehnung in ß-Eukryptit - dem Hauptbestandteil aller Kochfelder - ist wirklich bemerkenswert.