Les chercheurs recherchent activement des ordinateurs basés sur la lumière, des systèmes qui utilisent des photons plutôt que des électrons pour le stockage et le calcul des données. Ces ordinateurs innovants promettent une efficacité énergétique considérablement améliorée et des vitesses de traitement plus rapides par rapport à l’électronique traditionnelle. Cependant, un obstacle majeur à leur développement réside dans le contrôle précis des signaux lumineux dans les micropuces de l’ordinateur, minimisant ainsi la perte de signal lors de leur acheminement. Ce goulot d’étranglement découle d’un besoin fondamental en matériaux spécialisés.
Le défi des matériaux à bande interdite isotrope
Ces futurs ordinateurs nécessitent des matériaux capables de bloquer la lumière parasite provenant de toutes les directions, une qualité connue sous le nom de bande interdite isotrope. Cela empêche la lumière indésirable d’interférer avec les signaux lumineux délicats, garantissant ainsi que les calculs restent précis et efficaces. Le problème réside dans la conception de tels matériaux, une tâche complexe de la science des matériaux.
Présentation des Gyromorphes : une nouvelle conception matérielle
Des scientifiques de l’Université de New York ont annoncé la découverte de gyromorphes, un matériau révolutionnaire qui combine de manière unique les caractéristiques des liquides et des cristaux. La recherche, publiée dans Physical Review Letters, démontre que les gyromorphes surpassent les matériaux existants dans leur capacité à bloquer la lumière sous tous les angles.
“Les gyromorphes sont uniques”, déclare Stefano Martiniani, professeur adjoint à NYU et auteur principal de l’étude. “Leur composition inhabituelle fournit de meilleurs matériaux à bande interdite isotrope que ne le permettent les approches actuelles.”
La quête des quasi-cristaux et leurs limites
Dans leur recherche de matériaux à bande interdite isotrope efficaces, les chercheurs ont déjà exploré les quasicristaux. Théorisés pour la première fois par les physiciens Paul Steinhardt et Dov Levine dans les années 1980, puis observés expérimentalement par Dan Schechtman (qui a reçu le prix Nobel de chimie 2011), les quasi-cristaux possèdent un ordre mathématique, mais n’ont pas les motifs répétitifs trouvés dans les cristaux traditionnels.
Cependant, les quasi-cristaux présentent un défi : soit ils bloquent la lumière provenant de quelques directions seulement, soit ils atténuent partiellement la lumière provenant de toutes les directions. Ce compromis a incité à poursuivre les recherches sur des conceptions de matériaux alternatifs.
Structures artificielles et pouvoir du désordre
L’équipe de NYU a utilisé des métamatériaux, des structures artificielles dont les propriétés sont déterminées par leur conception plutôt que par leur composition chimique. Cependant, la création efficace de métamatériaux nécessite de comprendre comment la structure dicte les propriétés des matériaux.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont développé un algorithme pour concevoir des structures désordonnées fonctionnelles. Cela a conduit à la découverte d’une nouvelle forme de trouble corrélé : des matériaux qui ne sont ni entièrement désordonnés ni entièrement ordonnés.
“Pensez aux arbres dans une forêt”, explique Martiniani. “Ils poussent à des positions aléatoires, mais pas complètement au hasard car ils sont généralement à une certaine distance les uns des autres.” Ce nouveau modèle, les gyromorphes, fusionne des caractéristiques auparavant considérées comme incompatibles, surpassant les alternatives ordonnées, notamment les quasi-cristaux.
Une signature structurelle commune
Les chercheurs ont observé que tous les matériaux à bande interdite isotrope connus partageaient une signature structurelle commune.
«Nous voulions rendre cette signature structurelle aussi prononcée que possible», ajoute Mathias Casiulis, chercheur postdoctoral et auteur principal de l’article. “Le résultat a été une nouvelle classe de matériaux, les gyromorphes, qui concilient des caractéristiques apparemment incompatibles.”
Comment fonctionnent les gyromorphes
Les gyromorphes n’ont pas la structure fixe et répétitive d’un cristal, ce qui leur confère un désordre semblable à un liquide. Simultanément, vus de loin, ils présentent des motifs réguliers. Ces propriétés combinées créent des bandes interdites que les ondes lumineuses ne peuvent pénétrer dans aucune direction. La recherche incluait également Aaron Shih, un étudiant diplômé de NYU.
Les gyromorphes représentent une étape importante vers la réalisation du potentiel de l’informatique basée sur la lumière, offrant une nouvelle approche du contrôle des signaux lumineux dans les puces informatiques.
En conclusion, la découverte des gyromorphes ouvre une nouvelle voie pour créer des matériaux de nouvelle génération essentiels aux ordinateurs basés sur la lumière, révolutionnant potentiellement la technologie informatique avec une efficacité et une vitesse accrues. Leur combinaison unique de propriétés liquides et cristallines offre une nouvelle stratégie pour contrôler avec précision les signaux lumineux, ouvrant la voie à des dispositifs optiques avancés et à des capacités de calcul plus puissantes.
