Os pesquisadores estão buscando ativamente computadores baseados em luz – sistemas que usam fótons em vez de elétrons para armazenamento de dados e computação. Esses computadores inovadores prometem uma eficiência energética significativamente melhorada e velocidades de processamento mais rápidas em comparação com a eletrônica tradicional. No entanto, um obstáculo importante no seu desenvolvimento é controlar com precisão os sinais de luz dentro dos microchips do computador, minimizando a perda de sinal à medida que são roteados. Este gargalo decorre de uma necessidade fundamental de materiais especializados.
O desafio dos materiais bandgap isotrópicos
Esses futuros computadores exigirão materiais capazes de bloquear luz estranha de todas as direções, uma qualidade conhecida como bandgap isotrópico. Isto evita que luz indesejada interfira em sinais de luz delicados, garantindo que os cálculos permaneçam precisos e eficientes. A questão reside na concepção de tais materiais – uma tarefa complexa da ciência dos materiais.
Apresentando giromorfos: um novo design de material
Cientistas da Universidade de Nova York anunciaram a descoberta de giromorfos, um material inovador que combina de forma única as características de líquidos e cristais. A pesquisa, publicada na Physical Review Letters, demonstra que os giromorfos superam os materiais existentes na sua capacidade de bloquear a luz de todos os ângulos.
“Os giromorfos são únicos”, diz Stefano Martiniani, professor assistente da NYU e autor sênior do estudo. “Sua composição incomum fornece melhores materiais isotrópicos de bandgap do que as abordagens atuais permitem.”
A busca pelos quasicristais e suas limitações
Em sua busca por materiais isotrópicos eficazes de bandgap, os pesquisadores já exploraram quasicristais. Teorizados pela primeira vez pelos físicos Paul Steinhardt e Dov Levine na década de 1980 e posteriormente observados experimentalmente por Dan Schechtman (que recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2011), os quasicristais possuem uma ordem matemática, mas carecem dos padrões de repetição encontrados nos cristais tradicionais.
No entanto, os quasicristais apresentam um desafio: ou bloqueiam a luz de apenas algumas direções ou atenuam parcialmente a luz de todas as direções. Esta compensação levou à investigação contínua de designs de materiais alternativos.
Estruturas projetadas e o poder da desordem
A equipe da NYU empregou metamateriais, estruturas projetadas cujas propriedades são determinadas pelo seu design e não pela sua composição química. No entanto, a criação eficaz de metamateriais exige a compreensão de como a estrutura determina as propriedades do material.
Para superar esse obstáculo, os pesquisadores desenvolveram um algoritmo para projetar estruturas desordenadas funcionais. Isso levou à descoberta de uma nova forma de desordem correlacionada – materiais que não são totalmente desordenados nem totalmente ordenados.
“Pense nas árvores de uma floresta”, explica Martiniani. “Eles crescem em posições aleatórias, mas não completamente aleatórias porque geralmente estão a uma certa distância um do outro.” Este novo padrão, giromorfos, mescla características anteriormente consideradas incompatíveis, superando alternativas ordenadas, incluindo quasicristais.
Uma assinatura estrutural comum
Os pesquisadores observaram que todos os materiais isotrópicos conhecidos compartilhavam uma assinatura estrutural comum.
“Queríamos tornar esta assinatura estrutural o mais pronunciada possível”, acrescenta Mathias Casiulis, pós-doutorado e autor principal do artigo. “O resultado foi uma nova classe de materiais – giromorfos – que reconciliam características aparentemente incompatíveis.”
Como funcionam os giromorfos
Os giromorfos não possuem a estrutura fixa e repetitiva de um cristal, o que lhes confere uma desordem semelhante a um líquido. Simultaneamente, vistos à distância, apresentam padrões regulares. Essas propriedades combinadas criam bandgaps que as ondas de luz não conseguem penetrar em nenhuma direção. A pesquisa também incluiu Aaron Shih, estudante de pós-graduação da NYU.
Os giromorfos representam um passo significativo para a realização do potencial da computação baseada em luz, oferecendo uma nova abordagem para controlar sinais de luz dentro de chips de computador.
Concluindo, a descoberta dos giromorfos fornece um novo caminho para a criação de materiais de próxima geração, essenciais para computadores baseados em luz, revolucionando potencialmente a tecnologia da computação com maior eficiência e velocidade. Sua combinação única de propriedades líquidas e cristalinas oferece uma nova estratégia para controlar com precisão os sinais de luz, abrindo caminho para dispositivos ópticos avançados e capacidades computacionais mais poderosas.
