Naukowcy aktywnie pracują nad komputerami wykorzystującymi światło – systemami, które do przechowywania i przetwarzania danych wykorzystują fotony zamiast elektronów. Te innowacyjne komputery zapewniają znacznie lepszą efektywność energetyczną i większą prędkość przetwarzania niż tradycyjna elektronika. Jednak kluczową przeszkodą w ich rozwoju jest precyzyjna kontrola sygnałów świetlnych wewnątrz mikrochipów komputerowych, minimalizująca utratę sygnału podczas jego trasowania. To wąskie gardło wynika z zasadniczego zapotrzebowania na specjalistyczne materiały.
Problem materiałów z izotropowym pasmem wzbronionym
Te przyszłe komputery wymagają materiałów, które mogą blokować zewnętrzne światło ze wszystkich kierunków — jest to cecha znana jako izotropowe pasmo wzbronione. Zapobiega to zakłócaniu przez niepożądane światło delikatnych sygnałów świetlnych, zapewniając dokładne i wydajne obliczenia. Wyzwanie polega na opracowaniu takich materiałów – co jest trudnym zadaniem w materiałoznawstwie.
Przedstawiamy żyromorfy: nowy projekt materiałów
Naukowcy z New York University ogłosili odkrycie żyromorfów, przełomowego materiału, który w unikalny sposób łączy w sobie cechy cieczy i kryształu. Badanie opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters pokazuje, że żyromorfy przewyższają istniejące materiały pod względem zdolności do blokowania światła pod każdym kątem.
„Żyromorfy są wyjątkowe” – mówi Stefano Martiniani, adiunkt na Uniwersytecie Nowojorskim i główny autor badania. „Ich niezwykły skład zapewnia lepsze izotropowe materiały pasma wzbronionego, niż pozwalają na to obecne podejścia”.
Poszukiwanie kwazikryształów i ich ograniczeń
Poszukując wydajnych materiałów z izotropową przerwą wzbronioną, naukowcy badali już wcześniej kwazikryształy. Pierwotnie sformułowane przez fizyków Paula Steinhardta i Dova Levina w latach 80. XX wieku, a później zaobserwowane eksperymentalnie przez Dana Shechtmana (nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2011 r.), kwazikryształy mają matematyczny porządek, ale brakuje im powtarzających się wzorów występujących w tradycyjnych kryształach.
Kwazikryształy stwarzają jednak problem: albo blokują światło tylko z kilku kierunków, albo częściowo osłabiają światło ze wszystkich kierunków. Kompromis ten pobudził dalsze poszukiwania alternatywnych projektów materiałów.
Konstrukcje inżynieryjne i siła nieporządku
Zespół z Uniwersytetu Nowojorskiego użył metamateriałów, inżynieryjnych konstrukcji, których właściwości są określone raczej przez ich konstrukcję, a nie przez skład chemiczny. Jednak skuteczne tworzenie metamateriałów wymaga zrozumienia, w jaki sposób struktura determinuje właściwości materiału.
Aby pokonać tę przeszkodę, badacze opracowali algorytm projektowania funkcjonalnych zagraconych struktur. Doprowadziło to do odkrycia nowej formy skorelowanego nieporządku – materiałów, które nie są ani całkowicie nieuporządkowane, ani całkowicie uporządkowane.
„Pomyśl o drzewach w lesie” – wyjaśnia Martiniani. „Rosną w przypadkowych pozycjach, ale nie całkowicie losowo, ponieważ zwykle są od siebie oddalone w pewnej odległości”. Ten nowy wzór, żyromorfy, łączy w sobie wcześniej uważane za niezgodne cechy, przewyższając uporządkowane alternatywy, w tym kwazikryształy.
Ogólny podpis konstrukcyjny
Naukowcy odkryli, że każdy znany materiał z izotropową przerwą wzbronioną ma wspólną sygnaturę strukturalną.
„Chcieliśmy, aby ten podpis strukturalny był jak najbardziej wyraźny” – dodaje Mathias Kazioulis, postdoc i autor artykułu głównego. „Rezultatem było stworzenie nowej klasy materiałów – żyromorfów – które łączą pozornie niezgodne cechy”.
Jak działają żyromorfy
Żyromorfy nie mają ustalonej, powtarzającej się struktury krystalicznej, co nadaje im płynną losowość. Jednocześnie oglądane z daleka wykazują regularne wzory. Te połączone właściwości tworzą pasma wzbronione, których fale świetlne nie mogą przeniknąć w żadnym kierunku. W badaniu uczestniczył także Aaron Shih, student Uniwersytetu Nowojorskiego.
Gyromorfy stanowią znaczący krok w kierunku wykorzystania potencjału obliczeń opartych na świetle, oferując nowe podejście do kontrolowania sygnałów świetlnych w chipach komputerowych.
Podsumowując, odkrycie żyromorfów otwiera nową ścieżkę do stworzenia nowej generacji materiałów potrzebnych do komputerów wykorzystujących światło, potencjalnie rewolucjonizując obliczenia komputerowe dzięki zwiększonej wydajności i szybkości. Ich unikalne połączenie właściwości cieczy i kryształów oferuje nową strategię precyzyjnego kontrolowania sygnałów świetlnych, torując drogę zaawansowanym urządzeniom optycznym i potężniejszym możliwościom obliczeniowym.
