Vědci aktivně pracují na počítačích založených na světle – systémech, které k ukládání a zpracování dat využívají fotony místo elektronů. Tyto inovativní počítače slibují výrazně lepší energetickou účinnost a vyšší rychlost zpracování než tradiční elektronika. Klíčovou překážkou jejich rozvoje je však přesné řízení světelných signálů uvnitř počítačových mikročipů, minimalizující ztráty signálu při jeho směrování. Toto úzké místo vyplývá ze základní potřeby specializovaných materiálů.
Problém materiálů s izotropním bandgapem
Tyto budoucí počítače vyžadují materiály, které mohou blokovat vnější světlo ze všech směrů – kvalita známá jako izotropní bandgap. To zabraňuje nežádoucímu světlu v rušení jemných světelných signálů a zajišťuje přesné a efektivní výpočty. Výzva spočívá ve vývoji takových materiálů, což je náročný úkol v materiálové vědě.
Představujeme Gyromorphs: Nový Material Design
Vědci z New York University oznámili objev gyromorfů, převratného materiálu, který jedinečně kombinuje vlastnosti kapaliny a krystalu. Studie publikovaná v časopise Physical Review Letters prokazuje, že gyromorfy jsou lepší než existující materiály ve své schopnosti blokovat světlo ze všech úhlů.
“Gyromorfové jsou jedineční,” říká Stefano Martiniani, odborný asistent na New York University a hlavní autor studie. “Jejich neobvyklé složení poskytuje lepší izotropní bandgap materiály, než umožňují současné přístupy.”
Hledání kvazikrystalů a jejich omezení
Při hledání účinných izotropních bandgap materiálů vědci již dříve studovali kvazikrystaly. Původně teoretizovali fyzikové Paul Steinhardt a Dov Levin v 80. letech a později experimentálně pozorovali Dan Shechtman (který obdržel Nobelovu cenu za chemii v roce 2011), kvazikrystaly mají matematický řád, ale postrádají opakující se vzory nalezené v tradičních krystalech.
Kvazikrystaly však představují problém: buď blokují světlo pouze z několika směrů, nebo částečně zeslabují světlo ze všech směrů. Tento kompromis podnítil další zkoumání alternativních materiálů.
Inženýrské struktury a síla nepořádku
Tým NYU použil metamateriály, navržené struktury, jejichž vlastnosti jsou určeny spíše jejich designem než jejich chemickým složením. Efektivní vytváření metamateriálů však vyžaduje pochopení toho, jak struktura určuje vlastnosti materiálu.
Aby vědci tuto překážku překonali, vyvinuli algoritmus pro návrh funkčních přehledných struktur. To vedlo k objevu nové formy korelované poruchy – materiálů, které nejsou ani zcela neuspořádané, ani zcela uspořádané.
„Přemýšlejte o stromech v lese,“ vysvětluje Martiniani. “Rostou v náhodných pozicích, ale ne zcela náhodně, protože jsou obvykle v určité vzdálenosti.” Tento nový vzor, gyromorfy, kombinuje dříve předpokládané neslučitelné charakteristiky a překonává uspořádané alternativy včetně kvazikrystalů.
Obecný strukturální podpis
Výzkumníci zjistili, že každý známý izotropní materiál bandgap sdílí společný strukturální podpis.
„Chtěli jsme, aby tento strukturální podpis byl co nejvýraznější,“ dodává Mathias Kazioulis, postdoktorand a autor hlavního článku. “Výsledkem bylo vytvoření nové třídy materiálů – gyromorfů – které spojují zdánlivě neslučitelné vlastnosti.”
Jak fungují gyromorfy
Gyromorfy nemají pevnou, opakující se krystalovou strukturu, což jim dává tekutou náhodnost. Zároveň při pohledu z dálky vykazují pravidelné vzory. Tyto kombinované vlastnosti vytvářejí zakázané pásmo, které světelné vlny nemohou proniknout v žádném směru. Do studie se zapojil i Aaron Shih, student Newyorské univerzity.
Gyromorfy představují významný krok k realizaci potenciálu výpočetní techniky založené na světle a nabízejí nový přístup k ovládání světelných signálů na počítačových čipech.
Závěrem lze říci, že objev gyromorfů poskytuje novou cestu k vytvoření nové generace materiálů potřebných pro počítače založené na světle, což může způsobit revoluci ve výpočetní technice se zvýšenou účinností a rychlostí. Jejich jedinečná kombinace vlastností kapaliny a krystalů nabízí novou strategii pro přesné ovládání světelných signálů, čímž dláždí cestu pro pokročilá optická zařízení a výkonnější výpočetní schopnosti.
