Los investigadores están buscando activamente computadoras basadas en luz : sistemas que utilizan fotones en lugar de electrones para el almacenamiento y la computación de datos. Estas computadoras innovadoras prometen una eficiencia energética significativamente mejorada y velocidades de procesamiento más rápidas en comparación con la electrónica tradicional. Sin embargo, un obstáculo clave en su desarrollo es controlar con precisión las señales luminosas dentro de los microchips de la computadora, minimizando la pérdida de señal a medida que se enrutan. Este cuello de botella surge de una necesidad fundamental de materiales especializados.
El desafío de los materiales isotrópicos con banda prohibida
Estas futuras computadoras requieren materiales capaces de bloquear la luz extraña desde todas las direcciones, una cualidad conocida como banda prohibida isotrópica. Esto evita que la luz no deseada interfiera con señales luminosas delicadas, lo que garantiza que los cálculos sigan siendo precisos y eficientes. La cuestión radica en el diseño de dichos materiales, una tarea compleja de la ciencia de los materiales.
Presentamos los giromorfos: un diseño de materiales novedoso
Científicos de la Universidad de Nueva York han anunciado el descubrimiento de giromorfos, un material innovador que combina de forma única las características de líquidos y cristales. La investigación, publicada en Physical Review Letters, demuestra que los giromorfos superan a los materiales existentes en su capacidad para bloquear la luz desde todos los ángulos.
“Los giromorfos son únicos”, afirma Stefano Martiniani, profesor asistente de la Universidad de Nueva York y autor principal del estudio. “Su composición inusual proporciona mejores materiales de banda prohibida isotrópica que los que permiten los enfoques actuales”.
La búsqueda de cuasicristales y sus limitaciones
En su búsqueda de materiales isotrópicos de banda prohibida eficaces, los investigadores han explorado previamente cuasicristales. Teorizados por primera vez por los físicos Paul Steinhardt y Dov Levine en la década de 1980 y luego observados experimentalmente por Dan Schechtman (quien recibió el Premio Nobel de Química en 2011), los cuasicristales poseen un orden matemático, pero carecen de los patrones repetitivos que se encuentran en los cristales tradicionales.
Sin embargo, los cuasicristales presentan un desafío: o bloquean la luz de sólo unas pocas direcciones o atenúan parcialmente la luz de todas las direcciones. Esta compensación impulsó una investigación continua sobre diseños de materiales alternativos.
Estructuras diseñadas y el poder del desorden
El equipo de la Universidad de Nueva York empleó metamateriales, estructuras de ingeniería cuyas propiedades están determinadas por su diseño más que por su composición química. Sin embargo, la creación eficaz de metamateriales exige comprender cómo la estructura dicta las propiedades de los materiales.
Para superar este obstáculo, los investigadores desarrollaron un algoritmo para diseñar estructuras desordenadas funcionales. Esto llevó al descubrimiento de una nueva forma de desorden correlacionado : materiales que no están completamente desordenados ni ordenados.
“Piense en los árboles de un bosque”, explica Martiniani. “Crecen en posiciones aleatorias, pero no completamente aleatorias porque normalmente están a cierta distancia unas de otras”. Este nuevo patrón, giromorfos, fusiona características que antes se consideraban incompatibles, superando a las alternativas ordenadas, incluidos los cuasicristales.
Una firma estructural común
Los investigadores observaron que cada material isotrópico de banda prohibida conocido compartía una firma estructural común.
“Queríamos que esta firma estructural fuera lo más pronunciada posible”, añade Mathias Casiulis, becario postdoctoral y autor principal del artículo. “El resultado fue una nueva clase de materiales, los giromorfos, que concilian características aparentemente incompatibles”.
Cómo funcionan los giromorfos
Los giromorfos carecen de la estructura fija y repetitiva de un cristal, lo que les otorga un desorden similar al de un líquido. Al mismo tiempo, vistos desde lejos, exhiben patrones regulares. Estas propiedades combinadas crean bandas prohibidas que las ondas de luz no pueden penetrar desde ninguna dirección. La investigación también incluyó a Aaron Shih, un estudiante de posgrado de la Universidad de Nueva York.
Los giromorfos representan un paso significativo hacia la realización del potencial de la computación basada en la luz, ofreciendo un nuevo enfoque para controlar las señales de luz dentro de los chips de computadora.
En conclusión, el descubrimiento de giromorfos proporciona una vía novedosa para crear materiales de próxima generación esenciales para las computadoras basadas en la luz, revolucionando potencialmente la tecnología informática con mayor eficiencia y velocidad. Su combinación única de propiedades de líquido y cristal ofrece una nueva estrategia para controlar con precisión las señales luminosas, allanando el camino para dispositivos ópticos avanzados y capacidades computacionales más potentes.
