Современные исследователи активно развивают новое поколение вычислительных систем, работающих с использованием света, или фотонов, вместо электрических токов. Такие световые компьютеры обещают значительное увеличение эффективности и скорости вычислений по сравнению с традиционными машинами.
Однако переход к оптическим вычислениям находится на ранней стадии, и одним из ключевых технических барьеров является задача контроля крошечных потоков света, перемещающихся внутри чипа. Перенаправление этих микроскопических сигналов без их ослабления требует применения тщательно спроектированных материалов. Для сохранения силы сигналов аппаратное обеспечение должно включать в себя легкий материал, способный предотвращать проникновение рассеянного света со всех направлений. Такие материалы известны как «изотропные материалы с запрещенной зоной».
Ученые из Нью-Йоркского университета выявили новый материал, названный «гироморфами», который решает эту проблему более эффективно, чем любая другая известная структура. Гироморфы сочетают в себе характеристики, обычно ассоциируемые с жидкостями и кристаллами, однако по способности блокировать входящий свет со всех сторон они превосходят и те, и другие. Это открытие, детали которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, предлагает свежую стратегию для настройки оптического поведения и может значительно продвинуть разработку фотонных компьютеров.
«Гироморфы не похожи ни на одну известную структуру, поскольку их уникальный состав позволяет создавать изотропные материалы с запрещенной зоной, превосходящие все существующие подходы», – объясняет Стефано Мартиниани, профессор физики, химии, математики и нейронаук, а также старший автор исследования.
На протяжении десятилетий исследователи обращались к квазикристаллам при разработке изотропных материалов с запрещенной зоной. Эти структуры, впервые предложенные физиками Полом Стейнхардтом и Довом Левиным в 1980-х годах и позже экспериментально подтвержденные Дэном Шехтманом, следуют математическим правилам, но не повторяются, как традиционные кристаллы.
Несмотря на свой потенциал, квазикристаллы обладают существенным недостатком, отмеченным командой из Нью-Йоркского университета. Они могут полностью блокировать свет, но только с ограниченных направлений. В качестве альтернативы, они могут ослаблять свет со всех направлений, но не способны полностью его остановить. Это ограничение заставило ученых искать новые альтернативы, способные более полно блокировать свет, нарушающий сигналы.
В своем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, ученые из Нью-Йоркского университета создали «метаматериалы» – специально разработанные структуры, чьи свойства зависят от их архитектуры, а не от химического состава. Одной из основных трудностей при проектировании таких материалов является понимание того, как их расположение приводит к желаемым физическим свойствам.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда разработала алгоритм, способный создавать функциональные структуры со встроенным беспорядком. Их работа выявила новую форму «коррелированного беспорядка», которая занимает промежуточное положение между полной упорядоченностью и полной случайностью.
«Подумайте о деревьях в лесу – они растут в случайных местах, но не совсем случайно, поскольку обычно находятся на определенном расстоянии друг от друга», – поясняет Мартиниани. «Этот новый паттерн, гироморфы, сочетает в себе свойства, которые мы считали несовместимыми, и демонстрирует функцию, превосходящую все упорядоченные альтернативы, включая квазикристаллы».
Во время анализа ученые заметили, что каждый изотропный материал с запрещенной зоной демонстрировал общую структурную сигнатуру.
«Мы хотели сделать эту структурную сигнатуру максимально выраженной», – говорит Матиас Касиулис, постдокторант на физическом факультете Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи. «Результатом стал новый класс материалов – гироморфов – которые примиряют, казалось бы, несовместимые характеристики.
Это происходит потому, что гироморфы не имеют фиксированной, повторяющейся структуры, подобно кристаллу, что придает им беспорядок, характерный для жидкостей. В то же время, если смотреть на них издалека, они образуют регулярные узоры. Эти свойства работают вместе, создавая запрещенные зоны, которые световые волны не могут проникнуть ни с какого направления».
В исследовании также принимал участие аспирант Нью-Йоркского университета Аарон Ши. Работа получила поддержку от Центра вычислительной физической химии Саймонса (839534) и Управления научных исследований ВВС США (FA9550-25-1-0359).
