Ученые открыли материал для фотонных вычислителей

Это открытие, описанное в журнале Physical Review Letters, представляет собой инновационный способ управления оптическими свойствами и потенциально расширяет возможности компьютеров, работающих на основе света.

Однако основная сложность в производстве фотонных компьютеров, которые всё ещё находятся на ранней стадии развития, заключается в успешном перенаправлении микроскопических световых сигналов на компьютерном чипе с минимальными потерями мощности сигнала. По сути, это проблема материаловедения. Для таких компьютеров требуется лёгкий материал, который будет блокировать дополнительный свет, поступающий со всех сторон, — так называемый «изотропный материал с запрещённой зоной», — чтобы поддерживать мощность сигнала.

«Гироморфы не похожи ни на одну из известных структур, поскольку их уникальный состав позволяет создавать материалы с более широкой запрещённой зоной, чем это возможно при использовании существующих подходов», — говорит Стефано Мартиниани, доцент кафедры физики, химии, математики и нейробиологии.

При разработке материалов с изотропной запрещённой зоной учёные часто обращаются к квазикристаллам, которые были впервые описаны физиками Полом Стейнхардтом и Довом Левином в 1980-х годах и одновременно обнаружены в ходе экспериментов Дэна Шехтмана, получившего Нобелевскую премию по химии в 2011 году. Структура квазикристаллов имеет математический порядок, но, в отличие от кристаллов, он не повторяется.

Однако, как отмечают исследователи из Нью-Йоркского университета, у квазикристаллов есть существенный недостаток: они либо полностью блокируют свет, но только с нескольких направлений, либо ослабляют свет со всех направлений, но не блокируют его полностью. Именно поэтому учёные продолжают искать альтернативные материалы, которые могут блокировать свет, мешающий передаче сигнала.

В своей работе исследователи из Нью-Йоркского университета создали «метаматериалы» — искусственные материалы, свойства которых определяются их структурой, а не химическим составом. Однако при создании метаматериалов возникает проблема: сначала нужно понять, как их структура влияет на интересующие нас физические свойства.

Чтобы решить эти проблемы, учёные разработали алгоритм для создания функциональных неупорядоченных структур. При этом они открыли новую форму «коррелированного неупорядочения» — материалы, которые не являются ни полностью неупорядоченными, ни полностью упорядоченными.

«Представьте себе деревья в лесу — они растут в произвольном порядке, но не совсем в произвольном, потому что обычно находятся на определённом расстоянии друг от друга, — объясняет Мартиниани. — Этот новый паттерн, гироморфы, сочетает в себе свойства, которые, как мы считали, несовместимы, и демонстрирует функцию, которая превосходит все упорядоченные альтернативы, включая квазикристаллы».

Исследователи заметили, что у каждого изотропного материала с запрещённой зоной есть общая структурная особенность.

«Мы хотели сделать эту структурную особенность как можно более заметной», — добавляет Матиас Касиулис, научный сотрудник факультета физики Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи. «В результате появился новый класс материалов — гироморфы, — которые сочетают в себе, казалось бы, несовместимые свойства.

«Это происходит потому, что гироморфы не имеют фиксированной повторяющейся структуры, как у кристаллов, что делает их похожими на жидкость, но в то же время, если смотреть на них издалека, они образуют правильные узоры. Эти свойства в совокупности создают запрещённые зоны, в которые световые волны не могут проникнуть ни с одной стороны».