Ученые активно работают над компьютерами на основе света — системами, использующими фотоны вместо электронов для хранения и обработки данных. Эти инновационные компьютеры обещают значительно улучшенную энергоэффективность и более высокую скорость обработки по сравнению с традиционной электроникой. Однако ключевым препятствием для их разработки является точное управление световыми сигналами внутри микрочипов компьютера, минимизация потерь сигнала при его маршрутизации. Это «узкое место» возникает из-за фундаментальной потребности в специализированных материалах.
Задача материалов с изотропной запрещенной зоной
Эти будущие компьютеры требуют материалов, способных блокировать посторонний свет со всех направлений — качество, известное как изотропная запрещенная зона. Это предотвращает вмешательство нежелательного света в нежные световые сигналы, обеспечивая точность и эффективность расчетов. Проблема заключается в разработке таких материалов — сложной задачей материаловедения.
Представление гироморфов: Новый дизайн материала
Ученые Нью-Йоркского университета объявили об открытии гироморфов, новаторского материала, который уникальным образом сочетает характеристики жидкости и кристалла. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, что гироморфы превосходят существующие материалы в своей способности блокировать свет со всех углов.
«Гироморфы уникальны», — говорит Стефано Мартиниани, ассистент-профессор Нью-Йоркского университета и старший автор исследования. «Их необычный состав обеспечивает лучшие материалы с изотропной запрещенной зоной, чем позволяют текущие подходы».
Поиск квазикристаллов и их ограничения
В своих поисках эффективных материалов с изотропной запрещенной зоной исследователи ранее изучали квазикристаллы. Первоначально теоретизированные физиками Полом Штайнхардтом и Довом Левином в 1980-х годах и позже экспериментально наблюдаемые Дэном Шехтманом (получившим Нобелевскую премию по химии в 2011 году), квазикристаллы обладают математическим порядком, но не имеют повторяющихся узоров, найденных в традиционных кристаллах.
Однако квазикристаллы представляют собой проблему: они либо блокируют свет только из нескольких направлений, либо частично ослабляют свет со всех направлений. Этот компромисс стимулировал дальнейшее исследование альтернативных дизайнов материалов.
Инженерные структуры и сила беспорядка
Команда Нью-Йоркского университета использовала метаматериалы, инженерные структуры, свойства которых определяются их дизайном, а не химическим составом. Однако эффективное создание метаматериалов требует понимания того, как структура определяет свойства материала.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи разработали алгоритм для проектирования функциональных беспорядочных структур. Это привело к открытию новой формы коррелированного беспорядка — материалов, которые не полностью беспорядочны и не полностью упорядочены.
«Подумайте о деревьях в лесу», — объясняет Мартиниани. «Они растут в случайных положениях, но не полностью случайных, потому что обычно находятся на определенном расстоянии друг от друга». Этот новый узор, гироморфы, объединяет ранее считавшиеся несовместимые характеристики, превосходя упорядоченные альтернативы, включая квазикристаллы.
Общая структурная сигнатура
Исследователи обнаружили, что каждый известный материал с изотропной запрещенной зоной обладает общей структурной сигнатурой.
«Мы хотели сделать эту структурную сигнатуру как можно более выраженной», — добавляет Матиас Казиулис, постдок и автор ведущей статьи. «В результате был создан новый класс материалов — гироморфы — которые примиряют кажущиеся несовместимые характеристики».
Как работают гироморфы
Гироморфы не имеют фиксированной, повторяющейся структуры кристалла, что дарует им беспорядочность, похожую на жидкую. Одновременно, просматриваемые с расстояния, они демонстрируют регулярные узоры. Эти совмещенные свойства создают запрещенные зоны, которые световые волны не могут проникать ни в одном направлении. Исследование также включало Аарона Шиха, студента Нью-Йоркского университета.
Гироморфы представляют собой значительный шаг на пути к реализации потенциала вычислений на основе света, предлагая новый подход к управлению световыми сигналами в компьютерных чипах.
В заключение, открытие гироморфов предоставляет новый путь для создания материалов следующего поколения, необходимых для компьютеров на основе света, потенциально революционизируя вычислительную технику с помощью повышенной эффективности и скорости. Их уникальное сочетание свойств жидкости и кристалла предлагает новую стратегию для точного управления световыми сигналами, прокладывая путь для передовых оптических устройств и более мощных вычислительных возможностей.
