Onderzoekers zijn actief op zoek naar op licht gebaseerde computers : systemen die fotonen gebruiken in plaats van elektronen voor gegevensopslag en -berekening. Deze innovatieve computers beloven een aanzienlijk verbeterde energie-efficiëntie en snellere verwerkingssnelheden in vergelijking met traditionele elektronica. Een belangrijk obstakel in hun ontwikkeling is echter het nauwkeurig controleren van lichtsignalen binnen de microchips van de computer, waardoor signaalverlies tijdens het routeren tot een minimum wordt beperkt. Dit knelpunt komt voort uit een fundamentele behoefte aan gespecialiseerde materialen.
De uitdaging van isotrope bandgap-materialen
Deze toekomstige computers hebben materialen nodig die in staat zijn om licht van buitenaf uit alle richtingen te blokkeren, een kwaliteit die bekend staat als een isotrope bandgap. Dit voorkomt dat ongewenst licht de delicate lichtsignalen verstoort, waardoor berekeningen nauwkeurig en efficiënt blijven. Het probleem ligt in het ontwerpen van dergelijke materialen – een ingewikkelde taak van de materiaalkunde.
Introductie van Gyromorfen: een nieuw materiaalontwerp
Wetenschappers van de Universiteit van New York hebben de ontdekking aangekondigd van gyromorfen, een baanbrekend materiaal dat op unieke wijze de eigenschappen van vloeistoffen en kristallen combineert. Het onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters, toont aan dat gyromorfen beter presteren dan bestaande materialen wat betreft hun vermogen om licht vanuit alle hoeken te blokkeren.
“Gyromorfen zijn uniek”, zegt Stefano Martiniani, assistent-professor aan de NYU en senior auteur van het onderzoek. “Hun ongebruikelijke samenstelling biedt betere isotrope bandgap-materialen dan de huidige benaderingen toestaan.”
De zoektocht naar quasikristallen en hun beperkingen
In hun zoektocht naar effectieve isotrope bandgap-materialen hebben onderzoekers eerder quasikristallen onderzocht. Quasikristallen, voor het eerst getheoretiseerd door natuurkundigen Paul Steinhardt en Dov Levine in de jaren tachtig en later experimenteel waargenomen door Dan Schechtman (die in 2011 de Nobelprijs voor de Scheikunde ontving), bezitten een wiskundige orde, maar missen toch de zich herhalende patronen die in traditionele kristallen voorkomen.
Quasikristallen vormen echter een uitdaging: ze blokkeren licht uit slechts een paar richtingen of verzwakken het licht gedeeltelijk uit alle richtingen. Deze afweging was aanleiding voor voortgezet onderzoek naar alternatieve materiaalontwerpen.
Technische structuren en de kracht van wanorde
Het NYU-team gebruikte metamaterialen, technische structuren waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun ontwerp en niet door hun chemische samenstelling. Het creëren van metamaterialen vereist echter effectief inzicht in hoe structuur materiaaleigenschappen dicteert.
Om deze hindernis te overwinnen, ontwikkelden de onderzoekers een algoritme om functionele ongeordende structuren te ontwerpen. Dit leidde tot de ontdekking van een nieuwe vorm van gecorreleerde stoornis : materialen die niet volledig ongeordend of volledig geordend zijn.
“Denk aan bomen in een bos”, legt Martiniani uit. “Ze groeien op willekeurige posities, maar niet volledig willekeurig omdat ze meestal op een bepaalde afstand van elkaar staan.” Dit nieuwe patroon, gyromorfen, combineert kenmerken die voorheen als onverenigbaar werden beschouwd en presteert beter dan geordende alternatieven, inclusief quasi-kristallen.
Een gemeenschappelijke structurele signatuur
De onderzoekers merkten op dat elk bekend isotroop bandgap-materiaal een gemeenschappelijke structurele signatuur deelde.
“We wilden deze structurele handtekening zo duidelijk mogelijk maken”, zegt Mathias Casiulis, een postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het artikel. “Het resultaat was een nieuwe klasse materialen – gyromorfen – die ogenschijnlijk onverenigbare eigenschappen met elkaar verzoenen.”
Hoe gyromorfen werken
Gyromorfen missen de vaste, zich herhalende structuur van een kristal, waardoor ze een vloeistofachtige stoornis krijgen. Tegelijkertijd vertonen ze, vanaf een afstand bekeken, regelmatige patronen. Deze gecombineerde eigenschappen creëren bandgaps waar lichtgolven vanuit geen enkele richting doorheen kunnen dringen. Bij het onderzoek was ook Aaron Shih betrokken, een afgestudeerde student aan de NYU.
Gyromorfen vertegenwoordigen een belangrijke stap in de richting van het realiseren van het potentieel van op licht gebaseerd computergebruik, en bieden een nieuwe benadering voor het controleren van lichtsignalen in computerchips.
Concluderend biedt de ontdekking van gyromorfen een nieuwe mogelijkheid voor het creëren van materialen van de volgende generatie die essentieel zijn voor op licht gebaseerde computers, waardoor de computertechnologie mogelijk radicaal wordt veranderd met verbeterde efficiëntie en snelheid. Hun unieke combinatie van vloeibare en kristaleigenschappen biedt een nieuwe strategie voor het nauwkeurig controleren van lichtsignalen, wat de weg vrijmaakt voor geavanceerde optische apparaten en krachtigere rekenmogelijkheden.
