筑波大学产业技术综合研究所数学与材料系副教授长谷宗明纳米电子研究部的高级研究员Paul Fons、弘前大学教育学部讲师Toru Shimada、RIKEN同步辐射研究中心光束线研究开发小组主任Makashi Yabashi以及公益财团法人高亮度光学科学研究中心XFEL利用研究促进办公室的研究员Takashi Togashi和Tetsuo Katayama，产生了极其强大的超短波X 射线脉冲X 射线自由电子激光 (XFEL) 设施 SACLA进行X射线衍射实验非易失性固态存储器预期为相变存储器中，我们成功地以亚纳米分辨率观察到电子激发驱动的原子的瞬时运动。
SACLA是日本第一个在极短波长的X射线区域实现的X射线自由电子激光光源。由于该 XFEL 具有约 10 fs（飞秒）的极短脉冲宽度，因此预计该特性可用于直接观察固体中的原子运动并即时拍摄伴随的结构变化。
这个研究团队是超短脉冲激光束作为激发光、相变存储器的记录材料（Ge2锑2特5单晶薄膜）被照射产生电子激发，引起结构变化，随后使用SACLA的XFEL脉冲以1 ps（皮秒）或更小的时间分辨率通过X射线衍射拍摄随后的原子运动。结果，他们发现，在激发后的几皮秒内，原子运动仅导致原子键断裂的局部结构变化，但在20皮秒后，温度增加，晶格间距改变为新结构，其中晶格间距扩大了约2 pm（皮米）。我们还发现这种原子移位的结构持续超过 100 ps，然后在大约 18 ns（纳秒）内松弛并返回到其原始状态。
这次观察到的电子激发导致皮秒区域原子的瞬时运动强烈表明，相变存储器记录材料中的相变可以在皮秒时间尺度上发生，而不是像之前认为的那样在纳秒时间尺度上发生。换句话说，预计使用电子激励的超快开关相变器件将成为可能。
该研究成果发表在英国科学杂志《科学报告
＊ 这项研究成果是在文部科学省X射线自由电子激光优先战略研究项目“使用相变记录薄膜材料的X射线衍射探针的晶格动力学”（研究代表：长谷宗明）下获得的。
当固体受到高强度激光脉冲照射时，发生电子激发，材料变成电子激发态在这种电子激发态下，原子通常处于非平衡和不稳定状态，并且被认为会偏离其原始位置。通过利用这一点，预计将有可能产生电子激发态并有意改变原子的位置，并且也有可能改变固体的晶体结构。然而，处于电子激发态的原子的位移为亚纳米（01 nm）或更小，并且使用波长为数百nm的可见激光的常规光谱方法很难准确评估它。因此，使用亚纳米波长的X射线激光进行时间分辨X射线衍射测量被认为是最有效的方法。
DVD-RAM等光记录中使用的记录膜材料是一种被称为硫族化合物的半导体，其主要成分是Te（碲），被称为相变材料。这种相变材料在晶态和非晶态之间的反射率（折射率差）和电阻有很大的差异，通过测量这些变化，很容易确定它是处于记录状态还是擦除状态。到目前为止，晶态和非晶态之间的相变被认为需要超过 1 纳秒（十亿分之一秒）。然而，近年来，第一性原理计算的理论分析取得了重大进展，结果表明，通过使用电子激发，晶态和非晶态之间的相变可能在皮秒（一万亿分之一秒）时域内发生a)如果能够实现皮秒级的相变切换，则有望实现能够以比目前更高的速度记录和擦除数据的省电相变存储器，以及具有新操作原理的开关器件。
该研究团队利用世界上最先进的X射线自由电子激光装置SACLA的超短XFEL脉冲进行了时间分辨X射线衍射实验，试图以皮秒/亚纳米分辨率实时观察相变材料中原子的运动。
在这项研究中，Ge具有极好的结晶度2锑2Te5制作单晶薄膜（厚度：35 nm），并在SACLA中用脉冲宽度为30 fs的超短激光（波长：800 nm）作为激发脉冲进行照射，以产生高密度电子激发态。为了捕获瞬时电子激发后随时间变化的原子运动，我们用 XFEL 脉冲（脉冲宽度 10 fs，光子能量 10 keV）照射样品，延迟时间为 1 ps 或更小，并使用多端口 CCD (MPCCD) 探测器获取时间分辨 X 射线衍射图像（图 1）。这次使用的样本是外延生长布拉格衍射面并以时间分辨率跟踪来自该（222）平面的 X 射线衍射斑的变化，我们成功捕获了皮秒时域中 X 射线衍射斑位置的变化和强度的降低（图 2）。这是因为在电子激发之前处于结晶相的Ge2锑2Te5这相当于在皮秒时间尺度上拍摄构成晶体的原子随着单晶体结构变化的运动轨迹。
另外，这种原子位移在光激发后约20 ps时达到最大值（图2右），此时散射矢量的变化量（045 nm-1) 给出了大约 2 pm 的实际原子位移。此后，随着时间的推移，原子位移在大约 18 ns 内几乎恢复到原来的状态。 X射线衍射斑位置的这种变化反映了晶格间距的扩大，X射线衍射斑强度的变化反映了原子间振动均方振幅的增加（德拜-沃勒效果）。因此，这种大约2 pm的原子位移被认为是由于以下事实：如图1底部（II）到（III）的视频所示，晶格是由于电子激发破坏了连接晶体基本单元的键，引起单元结构之间的局部扭曲（过程II），进而引起温度升高，导致晶格间距整体膨胀（过程III）。
这次观察到的结构变化如图1底部所示，捕捉到了约008 nm或更小尺度的原子运动。此外，在最长 18 ns 内观察到的电子激发态结构为高级光子源进行的X射线吸收光谱的结果（图3），它被认为是晶态和非晶态之间的中间态，并被认为为微观上理解从晶态到非晶态的相变过程提供了重要信息。
该研究结果表明，目前的相变光记录薄膜和相变存储器的相变过程可以在皮秒时间内发生。此外，近年来发现GeTe/Sb2特3超晶格结构薄膜的相变b)，当前Ge2锑2特5这将导致新型高速开关器件的诞生，这些器件比多晶薄膜更节能，并利用超高速相变。
此外，我们还证明了SACLA能够对固体薄膜样品进行时间分辨率X射线衍射实验，空间和时间分辨率可达亚纳米或更小和1皮秒或更小。如果未来能够将时间分辨率进一步提高到100 fs或更小，将有可能观察到更高速的相变现象，有望阐明各种先进材料中的结构相变动力学。