Pesquisadores estão explorando uma nova geração de computadores que operam utilizando luz, ou fótons, em vez de correntes elétricas. Sistemas que dependem da luz para armazenar e processar informações podem um dia operar de maneira muito mais eficiente e realizar cálculos muito mais rapidamente do que máquinas convencionais.
A computação movida a luz ainda está em um estágio inicial, e um dos principais obstáculos técnicos envolve o controle de pequenos feixes de luz que percorrem um chip. Redirecionar esses sinais microscópicos sem enfraquecê-los requer materiais cuidadosamente projetados. Para manter os sinais fortes, o hardware deve incluir uma substância leve que impeça a entrada de luz indesejada de qualquer direção. Esse tipo de material é conhecido como “material isotrópico de bandgap”.
Descoberta de Gyromorphs na NYU
Cientistas da Universidade de Nova York identificaram um novo material chamado “gyromorphs” que atende a esse desafio de maneira mais eficaz do que qualquer outra estrutura conhecida. Gyromorphs combinam características normalmente associadas a líquidos e cristais, mas superam ambos em sua capacidade de bloquear a luz que entra de todos os ângulos. A descoberta, relatada na Physical Review Letters, introduz uma nova estratégia para ajustar o comportamento óptico e pode ajudar a avançar no desenvolvimento de computadores fotônicos.
“Gyromorphs são diferentes de qualquer estrutura conhecida, pois sua composição única gera melhores materiais isotrópicos de bandgap do que é possível com as abordagens atuais,” afirma Stefano Martiniani, professor assistente de física, química, matemática e ciência neural, e autor sênior do estudo.
Por Que os Materiais Existentes Não São Suficientes
Durante décadas, os pesquisadores olharam para os quasicristais ao projetar materiais isotrópicos de bandgap. Essas estruturas, primeiro propostas pelos físicos Paul Steinhardt e Dov Levine na década de 1980 e posteriormente observadas por Dan Schechtman, seguem regras matemáticas, mas não se repetem como cristais tradicionais.
Apesar de suas promessas, os quasicristais apresentam uma desvantagem observada pela equipe da NYU. Eles podem bloquear completamente a luz, mas apenas de direções limitadas. Alternativamente, podem enfraquecer a luz de todas as direções, mas falham em bloqueá-la completamente. Essa limitação levou os cientistas a buscar alternativas que possam bloquear a luz prejudicial ao sinal de forma mais abrangente.
Engenharia de Novos Metamateriais
No estudo publicado na Physical Review Letters, os pesquisadores da NYU criaram “metamateriais”, que são estruturas engenheiradas cujas propriedades dependem de sua arquitetura em vez de sua composição química. Um grande desafio ao projetar esses materiais reside em entender como sua disposição leva aos comportamentos físicos desejados.
Para superar isso, a equipe desenvolveu um algoritmo capaz de produzir estruturas funcionais com desordem embutida. Seu trabalho revelou uma nova forma de “desordem correlacionada” que se situa entre os extremos totalmente ordenados e totalmente aleatórios.
“Pense em árvores em uma floresta – elas crescem em posições aleatórias, mas não completamente aleatórias, pois geralmente estão a uma certa distância umas das outras,” explica Martiniani. “Esse novo padrão, gyromorphs, combina propriedades que acreditávamos ser incompatíveis e exibe uma função que supera todas as alternativas ordenadas, incluindo quasicristais.”
Como os Gyromorphs Alcançam Suas Capacidades Únicas
Durante sua análise, os cientistas observaram que todo material isotrópico de bandgap exibia uma assinatura estrutural compartilhada.
“Queríamos tornar essa assinatura estrutural o mais pronunciada possível,” diz Mathias Casiulis, um bolsista de pós-doutorado no Departamento de Física da NYU e autor principal do artigo. “O resultado foi uma nova classe de materiais — gyromorphs — que reconciliam características aparentemente incompatíveis.”
“Isso ocorre porque os gyromorphs não têm uma estrutura fixa e repetitiva como um cristal, o que lhes confere uma desordem semelhante a um líquido, mas, ao mesmo tempo, se você olhar para eles de longe, eles formam padrões regulares. Essas propriedades trabalham juntas para criar bandgaps que ondas de luz não conseguem penetrar de qualquer direção.”
A pesquisa também incluiu Aaron Shih, um estudante de graduação da NYU, e recebeu apoio do Simons Center for Computational Physical Chemistry (839534) e do Air Force Office of Scientific Research (FA9550-25-1-0359).
