Новый класс материалов «гироморфы» ускорит создание фотонных компьютеров

Ученые из Нью-Йоркского университета открыли новый класс материалов — «гироморфы», которые могут стать ключом к созданию сверхбыстрых фотонных компьютеров. Эти системы используют свет вместо электричества для обработки информации, что потенциально позволяет им работать гораздо эффективнее и быстрее традиционных машин.

Иллюстрация свойств гироморфа. Верхний ряд: структура гироморфа. Слева: структурный фактор. Справа: функция парной корреляции. Нижний ряд: оптические свойства. Слева: поляризованный световой пучок полностью отражается гироморфом. Справа: истощение плотности состояний в гироморфе. Предоставлено: Лаборатория Мартиниани в NYU.

Одной из главных проблем фотонных вычислений является управление микроскопическими световыми сигналами внутри чипа без их ослабления. Для этого требуются специальные материалы, способные блокировать рассеянный свет со всех направлений — так называемые «изотропные материалы с запрещенной зоной».

Исследователи обнаружили, что гироморфы сочетают в себе свойства жидкостей и кристаллов, но превосходят их по способности блокировать свет под любым углом. Открытие, о котором сообщается в журнале Physical Review Letters, предлагает новую стратегию управления оптическим поведением материалов.

«Гироморфы не похожи ни на одну известную структуру. Их уникальное строение создает изотропные материалы с запрещенной зоной, превосходящие все существующие подходы», — говорит Стефано Мартиниани, старший автор исследования.

Ранее ученые для этих целей использовали квазикристаллы, но они имеют ограничения: либо полностью блокируют свет только с некоторых направлений, либо ослабляют его со всех, но не блокируют полностью. Гироморфы лишены этого недостатка.

Команда создала «метаматериалы» — искусственные структуры, чьи свойства определяются архитектурой, а не химическим составом. С помощью специального алгоритма они разработали структуры со встроенной неупорядоченностью, которая оказалась эффективнее даже квазикристаллов.

«Представьте деревья в лесу — они растут в случайных позициях, но не полностью случайно, так как находятся на определенном расстоянии друг от друга. Этот новый паттерн, гироморфы, сочетает несовместимые, как мы считали, свойства и превосходит по функциональности все упорядоченные альтернативы», — поясняет Мартиниани.

Как объясняет ведущий автор работы Матиас Касьюлис, гироморфы не имеют фиксированной повторяющейся структуры, как кристаллы, что придает им неупорядоченность, подобную жидкости. Однако на расстоянии они образуют регулярные узоры. Эти свойства работают вместе, создавая запрещенные зоны, непроницаемые для световых волн с любого направления.

Исследование поддерживается Центром вычислительной физической химии Саймонса и Управлением научных исследований ВВС США.

ИИ: Это открытие выглядит крайне перспективным для фотонных вычислений. Если гироморфы действительно смогут эффективно управлять светом на микроуровне, это может ускорить появление коммерческих фотонных процессоров, которые кардинально изменят производительность в областях вроде машинного обучения и научных симуляций.