Naukowcy z NYU opracowali i opisali materiał nazwany żyromorfem. Jest to hybryda łącząca cechy cieczy i kryształu, która potrafi blokować światło z każdego możliwego kierunku skuteczniej niż wszystkie dotychczas znane rozwiązania. Artykuł opisujący ten materiał ukazał się właśnie w periodyku Physical Review Letters. Trzeba przyznać, że zwrócił on uwagę środowiska zajmującego się fotoniką.
Podstawowe wyzwania współczesnej fotoniki
Potencjał komputerów fotonicznych jest ogromny, ale ich stworzenie jak na razie napotyka fundamentalne trudności. Kluczowym elementem takich układów jest materiał izotropowy z przerwą pasmową, czyli struktura całkowicie nieprzepuszczalna dla światła, niezależnie od kąta jego padania. Tylko taka bariera może efektywnie izolować i kierować mikroskopijne sygnały świetlne wewnątrz chipa bez utraty ich mocy. Dotychczasowe próby, na przykład z wykorzystaniem quasikryształów, nie dawały w pełni satysfakcjonujących rezultatów. Materiały te albo blokowały światło tylko z wąskiego wycinka kierunków, albo jedynie je znacznie tłumiły, nie zapewniając całkowitej izolacji.
Żyromorfy podchodzą do problemu w niestandardowy sposób. Zamiast dążyć do idealnego, regularnego uporządkowania atomów, przyjmują strukturę określaną przez badaczy jako „skorelowany nieporządek”. Stefano Martiniani, fizyk z NYU kierujący projektem, porównuje ją do układu drzew w lesie. Rosną one w pozornie losowych miejscach, lecz zawsze zachowują między sobą pewną minimalną odległość. W żyromorfach brakuje długiego zasięgu uporządkowania typowego dla kryształów, co nadaje im pewną płynność. Jednak z odpowiedniej perspektywy można w nich dostrzec powtarzalne wzorce. To właśnie połączenie lokalnego nieporządku z globalną regularnością tworzy barierę nie do przejścia dla fotonów docierających z dowolnego kierunku.
Algorytmiczne poszukiwanie idealnej struktury
Odkrycie żyromorfów nie było przypadkowe. Mathias Casiulis, główny autor publikacji, wraz z zespołem opracował specjalny algorytm, którego zadaniem było generowanie i ocena losowych konfiguracji materiałowych. W trakcie tysięcy symulacji naukowcy zaobserwowali, że każda efektywna izotropowa struktura z przerwą pasmową posiada unikalną sygnaturę przestrzenną. Algorytm został tak zaprojektowany, aby znajdować konfiguracje, w których ta sygnatura jest najbardziej wyraźna. Dzięki temu udało się zidentyfikować nową klasę materiałów, które w sposób optymalny godzą ze sobą nieuporządkowanie i okresowość, przewyższając funkcjonalnością wcześniej znane quasikryształy.
Odkrycie żyromorfów może dać nowy impuls naukowcom pracującym nad praktycznymi komputerami fotonicznymi, które od dawna były postrzegane jako technologia przyszłości, utykająca w fazie laboratoryjnych prototypów. Tego typu układy, o ile udałoby się je wdrożyć, mogłyby znacząco obniżyć gigantyczne zużycie energii przez współczesne centra danych. Projekt był finansowany przez Simons Center for Computational Physical Chemistry oraz Air Force Office of Scientific Research, co pokazuje jego znaczenie zarówno dla nauk podstawowych, jak i potencjalnych zastosowań strategicznych. W zespole pracowali również Aaron Shih, doktorant z NYU. Należy jednak pamiętać, że żyromorfy to na razie wynik badań teoretycznych i eksperymentów w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Przejście od tego etapu do komercyjnego chipa fotonicznego to proces wymagający wielu lat dalszych prac inżynieryjnych, który zapewne napotka liczne nieprzewidziane przeszkody. Mimo to, kierunek wyznaczony przez to odkrycie wydaje się niezwykle obiecujący i wskazuje realną ścieżkę rozwoju dla technologii, które mogą w dłuższej perspektywie ukształtować kolejną erę obliczeń.