I ricercatori stanno studiando attivamente computer basati sulla luce, sistemi che utilizzano fotoni anziché elettroni per l’archiviazione e il calcolo dei dati. Questi computer innovativi mantengono la promessa di un’efficienza energetica notevolmente migliorata e di velocità di elaborazione più elevate rispetto all’elettronica tradizionale. Tuttavia, un ostacolo fondamentale al loro sviluppo è il controllo preciso dei segnali luminosi all’interno dei microchip del computer, riducendo al minimo la perdita di segnale durante il loro instradamento. Questo collo di bottiglia deriva da un bisogno fondamentale di materiali specializzati.
La sfida dei materiali con bandgap isotropico
Questi futuri computer richiedono materiali in grado di bloccare la luce estranea proveniente da tutte le direzioni, una qualità nota come bandgap isotropico. Ciò impedisce alla luce indesiderata di interferire con i delicati segnali luminosi, garantendo che i calcoli rimangano accurati ed efficienti. Il problema sta nella progettazione di tali materiali, un compito intricato della scienza dei materiali.
Presentazione dei giromorfi: un nuovo design dei materiali
Gli scienziati della New York University hanno annunciato la scoperta dei giromorfi, un materiale innovativo che combina in modo unico le caratteristiche dei liquidi e dei cristalli. La ricerca, pubblicata su Physical Review Letters, dimostra che i giromorfi superano i materiali esistenti nella loro capacità di bloccare la luce da tutti gli angoli.
“I giromorfi sono unici”, afferma Stefano Martiniani, assistente professore alla New York University e autore senior dello studio. “La loro composizione insolita fornisce materiali con bandgap isotropico migliori di quelli consentiti dagli approcci attuali.”
La ricerca dei quasicristalli e i loro limiti
Nella loro ricerca di materiali efficaci con bandgap isotropico, i ricercatori hanno già esplorato i quasicristalli. Teorizzati per la prima volta dai fisici Paul Steinhardt e Dov Levine negli anni ’80 e successivamente osservati sperimentalmente da Dan Schechtman (che ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2011), i quasicristalli possiedono un ordine matematico, ma mancano degli schemi ripetitivi riscontrati nei cristalli tradizionali.
Tuttavia, i quasicristalli rappresentano una sfida: bloccano la luce solo da poche direzioni o attenuano parzialmente la luce da tutte le direzioni. Questo compromesso ha spinto a continuare la ricerca su progetti di materiali alternativi.
Strutture ingegnerizzate e il potere del disordine
Il team della New York University ha utilizzato metamateriali, strutture ingegnerizzate le cui proprietà sono determinate dalla loro progettazione piuttosto che dalla loro composizione chimica. Tuttavia, la creazione di metamateriali richiede effettivamente la comprensione di come la struttura determina le proprietà dei materiali.
Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo per progettare strutture disordinate funzionali. Ciò ha portato alla scoperta di una nuova forma di disordine correlato : materiali che non sono né completamente disordinati né completamente ordinati.
“Pensate agli alberi di una foresta”, spiega Martiniani. “Crescono in posizioni casuali, ma non del tutto casuali perché di solito sono a una certa distanza l’uno dall’altro.” Questo nuovo modello, i giromorfi, unisce caratteristiche precedentemente considerate incompatibili, surclassando le alternative ordinate, inclusi i quasicristalli.
Una firma strutturale comune
I ricercatori hanno osservato che ogni materiale noto con bandgap isotropo condivideva una firma strutturale comune.
“Volevamo rendere questa firma strutturale quanto più pronunciata possibile”, aggiunge Mathias Casiulis, ricercatore post-dottorato e autore principale dell’articolo. “Il risultato è stato una nuova classe di materiali, i giromorfi, che riconciliano caratteristiche apparentemente incompatibili”.
Come funzionano i giromorfi
I giromorfi non hanno la struttura fissa e ripetitiva di un cristallo, che conferisce loro un disordine simile a un liquido. Allo stesso tempo, visti da lontano, mostrano schemi regolari. Queste proprietà combinate creano bande proibite che le onde luminose non possono penetrare da nessuna direzione. La ricerca ha incluso anche Aaron Shih, uno studente laureato della New York University.
I giromorfi rappresentano un passo significativo verso la realizzazione del potenziale del calcolo basato sulla luce, offrendo un nuovo approccio al controllo dei segnali luminosi all’interno dei chip dei computer.
In conclusione, la scoperta dei giromorfi fornisce una nuova strada per la creazione di materiali di prossima generazione essenziali per i computer basati sulla luce, rivoluzionando potenzialmente la tecnologia informatica con maggiore efficienza e velocità. La loro combinazione unica di proprietà liquide e cristalline offre una nuova strategia per il controllo preciso dei segnali luminosi, aprendo la strada a dispositivi ottici avanzati e capacità computazionali più potenti.
