Вчені активно працюють над світловими комп’ютерами — системами, які використовують фотони замість електронів для зберігання та обробки даних. Ці інноваційні комп’ютери обіцяють значно покращену енергоефективність і вищу швидкість обробки, ніж традиційна електроніка. Однак ключовою перешкодою для їх розвитку є точне керування світловими сигналами всередині комп’ютерних мікрочіпів, мінімізуючи втрати сигналу під час його маршрутизації. Це вузьке місце виникає через фундаментальну потребу в спеціалізованих матеріалах.
Проблема матеріалів із ізотропною забороненою зоною
Для цих майбутніх комп’ютерів потрібні матеріали, які можуть блокувати стороннє світло з усіх боків — якість, відома як ізотропна заборонена зона. Це запобігає перешкоджанню небажаного світла делікатним світловим сигналам, забезпечуючи точні та ефективні обчислення. Проблема полягає в розробці таких матеріалів — складне завдання в матеріалознавстві.
Представляємо гіроморфів: новий матеріальний дизайн
Вчені Нью-Йоркського університету оголосили про відкриття гіроморфів, новаторського матеріалу, який унікальним чином поєднує в собі характеристики рідини та кристала. Дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, демонструє, що гіроморфи перевершують існуючі матеріали за своєю здатністю блокувати світло з усіх кутів.
«Гіроморфи унікальні», — каже Стефано Мартініані, доцент Нью-Йоркського університету та старший автор дослідження. «Їх незвичайний склад забезпечує кращі ізотропні матеріали із забороненою зоною, ніж дозволяють поточні підходи».
Пошук квазікристалів та їх обмеження
У пошуках ефективних ізотропних матеріалів із забороненою зоною дослідники раніше вивчали квазікристали. Спочатку теоретизували фізики Пол Стейнхардт і Дов Левін у 1980-х роках, а пізніше експериментально спостерігав Ден Шехтман (який отримав Нобелівську премію з хімії в 2011 році), квазікристали мають математичний порядок, але їм не вистачає повторюваних візерунків, характерних для традиційних кристалів.
Однак квазікристали створюють проблему: вони або блокують світло лише з кількох напрямків, або частково послаблюють світло з усіх напрямків. Цей компроміс стимулював подальше дослідження альтернативних матеріалів.
Інженерні споруди і сила безладу
Команда NYU використовувала метаматеріали, інженерні структури, властивості яких визначаються їхньою конструкцією, а не хімічним складом. Однак ефективне створення метаматеріалів вимагає розуміння того, як структура визначає властивості матеріалу.
Щоб подолати цю перешкоду, дослідники розробили алгоритм проектування функціональних засмічених структур. Це призвело до відкриття нової форми корельованого безладу — матеріалів, які не є ні повністю невпорядкованими, ні повністю впорядкованими.
«Подумайте про дерева в лісі», — пояснює Мартініані. «Вони ростуть у випадкових позиціях, але не зовсім випадково, тому що вони зазвичай на певній відстані один від одного». Цей новий шаблон, гіроморфи, поєднує характеристики, які раніше вважалися несумісними, перевершуючи впорядковані альтернативи, включаючи квазікристали.
Загальна структурна підпис
Дослідники виявили, що кожен відомий ізотропний матеріал із забороненою зоною має спільну структурну ознаку.
«Ми хотіли зробити цей структурний підпис якомога виразнішим», — додає Матіас Казіуліс, постдоктор і автор головної статті. «Результатом стало створення нового класу матеріалів — гіроморфів, — які поєднують, здавалося б, несумісні характеристики».
Як працюють гіроморфи
Гіроморфи не мають фіксованої, повторюваної кристалічної структури, що надає їм текучу випадковість. Водночас, дивлячись здалеку, вони демонструють правильні візерунки. Ці комбіновані властивості створюють заборонені зони, через які світлові хвилі не можуть проникати в будь-якому напрямку. У дослідженні також брав участь Аарон Ши, студент Нью-Йоркського університету.
Гіроморфи являють собою значний крок до реалізації потенціалу світлових обчислень, пропонуючи новий підхід до керування світловими сигналами на комп’ютерних мікросхемах.
Підсумовуючи, відкриття гіроморфів відкриває новий шлях для створення наступного покоління матеріалів, необхідних для легких комп’ютерів, потенційно революціонізуючи обчислення завдяки підвищеній ефективності та швидкості. Їх унікальне поєднання властивостей рідини та кристалів пропонує нову стратегію для точного керування світловими сигналами, прокладаючи шлях до вдосконалених оптичних пристроїв і більш потужних обчислювальних можливостей.
