Forscher verfolgen aktiv lichtbasierte Computer – Systeme, die Photonen anstelle von Elektronen zur Datenspeicherung und -berechnung verwenden. Diese innovativen Computer versprechen eine deutlich verbesserte Energieeffizienz und schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlicher Elektronik. Ein Haupthindernis bei ihrer Entwicklung ist jedoch die präzise Steuerung der Lichtsignale innerhalb der Mikrochips des Computers, um den Signalverlust bei der Weiterleitung zu minimieren. Dieser Engpass ist auf den grundsätzlichen Bedarf an Spezialmaterialien zurückzuführen.
Die Herausforderung isotroper Bandlückenmaterialien
Diese zukünftigen Computer erfordern Materialien, die in der Lage sind, Fremdlicht aus allen Richtungen zu blockieren, eine Eigenschaft, die als isotrope Bandlücke bekannt ist. Dadurch wird verhindert, dass unerwünschtes Licht die empfindlichen Lichtsignale stört, und gewährleistet, dass die Berechnungen präzise und effizient bleiben. Das Problem besteht darin, solche Materialien zu entwerfen – eine komplizierte Aufgabe der Materialwissenschaft.
Wir stellen Gyromorphe vor: Ein neuartiges Materialdesign
Wissenschaftler der New York University haben die Entdeckung von Gyromorphen bekannt gegeben, einem bahnbrechenden Material, das auf einzigartige Weise die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Kristallen kombiniert. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Forschung zeigt, dass Gyromorphe bestehende Materialien in ihrer Fähigkeit, Licht aus allen Winkeln zu blockieren, übertreffen.
„Gyromorphe sind einzigartig“, sagt Stefano Martiniani, Assistenzprofessor an der NYU und leitender Autor der Studie. „Ihr ungewöhnlicher Aufbau liefert bessere isotrope Bandlückenmaterialien, als aktuelle Ansätze erlauben.“
Die Suche nach Quasikristallen und ihre Grenzen
Auf ihrer Suche nach effektiven isotropen Bandlückenmaterialien haben Forscher zuvor Quasikristalle erforscht. Quasikristalle wurden erstmals in den 1980er Jahren von den Physikern Paul Steinhardt und Dov Levine theoretisiert und später von Dan Schechtman (der 2011 den Nobelpreis für Chemie erhielt) experimentell beobachtet. Sie besitzen eine mathematische Ordnung, es fehlen ihnen jedoch die sich wiederholenden Muster, die in traditionellen Kristallen zu finden sind.
Allerdings stellen Quasikristalle eine Herausforderung dar: Sie blockieren entweder Licht aus nur wenigen Richtungen oder schwächen Licht aus allen Richtungen teilweise ab. Dieser Kompromiss führte zu weiteren Untersuchungen alternativer Materialdesigns.
Konstruierte Strukturen und die Macht der Unordnung
Das NYU-Team verwendete Metamaterialien, technische Strukturen, deren Eigenschaften eher durch ihr Design als durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt werden. Allerdings erfordert die effektive Erstellung von Metamaterialien ein Verständnis dafür, wie die Struktur die Materialeigenschaften bestimmt.
Um diese Hürde zu überwinden, entwickelten die Forscher einen Algorithmus zum Entwurf funktioneller ungeordneter Strukturen. Dies führte zur Entdeckung einer neuartigen Form der korrelierten Unordnung – Materialien, die weder vollständig ungeordnet noch vollständig geordnet sind.
„Denken Sie an Bäume in einem Wald“, erklärt Martiniani. „Sie wachsen an zufälligen Positionen, aber nicht völlig zufällig, weil sie normalerweise einen gewissen Abstand voneinander haben.“ Dieses neue Muster, Gyromorphe, vereint Merkmale, die zuvor als inkompatibel galten, und übertrifft geordnete Alternativen, einschließlich Quasikristalle.
Eine gemeinsame strukturelle Signatur
Die Forscher stellten fest, dass jedes bekannte isotrope Bandlückenmaterial eine gemeinsame Struktursignatur aufweist.
„Wir wollten diese strukturelle Signatur so deutlich wie möglich machen“, fügt Mathias Casiulis, Postdoktorand und Hauptautor der Arbeit, hinzu. „Das Ergebnis war eine neue Klasse von Materialien – Gyromorphe –, die scheinbar unvereinbare Eigenschaften in Einklang bringen.“
Wie Gyromorphs funktionieren
Gyromorphen fehlt die feste, sich wiederholende Struktur eines Kristalls, was ihnen eine flüssigkeitsähnliche Unordnung verleiht. Gleichzeitig weisen sie aus der Ferne betrachtet regelmäßige Muster auf. Diese kombinierten Eigenschaften erzeugen Bandlücken, die Lichtwellen aus keiner Richtung durchdringen können. An der Untersuchung beteiligte sich auch Aaron Shih, ein Doktorand der NYU.
Gyromorphe stellen einen bedeutenden Schritt zur Realisierung des Potenzials lichtbasierter Datenverarbeitung dar und bieten einen neuen Ansatz zur Steuerung von Lichtsignalen in Computerchips.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entdeckung von Gyromorphen einen neuen Weg für die Entwicklung von Materialien der nächsten Generation bietet, die für lichtbasierte Computer unerlässlich sind und möglicherweise die Computertechnologie mit höherer Effizienz und Geschwindigkeit revolutionieren. Ihre einzigartige Kombination aus Flüssigkeits- und Kristalleigenschaften bietet eine neue Strategie zur präzisen Steuerung von Lichtsignalen und ebnet den Weg für fortschrittliche optische Geräte und leistungsfähigere Rechenfunktionen.
