نوشته دانشگاه نیویورک، ۲۹ نوامبر ۲۰۲۵، تصویری از ویژگیهای یک ژیرومورف ۶۰ برابری. ردیف بالا: ساختار ژیرومورف. چپ: عامل ساختار. راست: تابع همبستگی جفت. ردیف پایین: ویژگیهای نوری. چپ: پرتو نور قطبی شده که به طور کامل توسط یک ژیرومورف منعکس میشود. راست: کاهش چگالی حالتها در ژیرومورف. منبع: آزمایشگاه مارتینیانی در دانشگاه نیویورک
محققان ژیرومورفها را ایجاد کردهاند، ماده جدیدی که نور را مؤثرتر از هر ساختاری که تاکنون در تراشههای فوتونی استفاده شده است، کنترل میکند.
این الگوهای هیبریدی نظم و بینظمی را به گونهای ترکیب میکنند که مانع از ورود نور از هر زاویهای میشود. این کشف محدودیتهای اصلی موجود در شبهبلورها و سایر مواد مهندسی شده را حل میکند. این کشف ممکن است دریچهای به سوی رایانههای سریعتر و کارآمدتر کامپیوترهای مبتنی بر نور و نیاز به مواد بهتر با انرژی نور باز کند.
محققان در حال کار بر روی کامپیوترهایی هستند که به جای جریانهای الکتریکی از نور یا فوتونها برای ذخیره اطلاعات و انجام محاسبات استفاده میکنند. ماشینهایی که حول محور نور ساخته میشوند، پتانسیل این را دارند که سریعتر کار کنند و انرژی بسیار کمتری نسبت به الکترونیک امروزی مصرف کنند.
یکی از بزرگترین موانع در ساخت این سیستمها – که هنوز یک فناوری نوظهور است – دشواری هدایت سیگنالهای نوری بسیار کوچک در داخل یک تراشه بدون کاهش قدرت آنها است. حل این مشکل نیازمند رویکردهای جدیدی در طراحی مواد است. این دستگاهها باید شامل مادهای سبک باشند که بتواند نور ناخواسته رسیده از هر جهتی را مسدود کند، تواناییای که توسط “ماده شکاف باند ایزوتروپیک” فراهم میشود.
دانشمندان دانشگاه نیویورک اکنون مادهای به نام “ژیرومورفها” را شناسایی کردهاند که این نیاز را به طور مؤثرتری نسبت به هر ساختاری که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته است، برآورده میکند. ژیرومورفها ویژگیهای مایعات و کریستالها را ترکیب میکنند و در جلوگیری از ورود نور از هر زاویهای، از همه مواد شناخته شده بهتر عمل میکنند. یافتههای آنها که در Physical Review Letters منتشر شده است، استراتژی جدیدی را برای تنظیم رفتار نوری معرفی میکند و میتواند به پیشرفت محاسبات مبتنی بر نور کمک کند.
استفانو مارتینیانی، استادیار فیزیک، شیمی، ریاضیات و علوم عصبی و نویسنده ارشد مقاله، میگوید: «ژیرومورفها برخلاف هر ساختار شناختهشدهای هستند، زیرا آرایش منحصر به فرد آنها باعث ایجاد مواد شکاف باند ایزوتروپیک بهتری نسبت به آنچه با رویکردهای فعلی امکانپذیر است، میشود.»
محققان هنگام طراحی مواد شکاف باند ایزوتروپیک، اغلب از شبهبلورها استفاده کردهاند. این ساختارها ابتدا توسط فیزیکدانان پاول استاینهارت و داو لوین در دهه ۱۹۸۰ توصیف شدند و توسط دن شختمن، که بعداً در سال ۲۰۱۱ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد، به صورت تجربی مشاهده شدند. شبهبلورها از قوانین ریاضی پیروی میکنند، اما برخلاف کریستالهای معمولی، الگوهای آنها هرگز تکرار نمیشوند.
با وجود ساختار منحصر به فردشان، شبهبلورها با محدودیتی مواجه هستند که توسط تیم دانشگاه نیویورک برجسته شده است. آنها یا میتوانند نور را به طور کامل مسدود کنند، اما فقط از یک مجموعه کوچک از جهات، یا نور را از همه جهات بدون جلوگیری کامل از آن تضعیف کنند. این بده بستان دانشمندان را به جستجوی جایگزینهای بهتری که بتوانند به طور قابل اعتمادی از تخلیه قدرت سیگنال توسط نور جلوگیری کنند، واداشته است.
مهندسی فرامواد جدید
محققان دانشگاه نیویورک در مطالعه خود در Physical Review Letters، «فرامواد» را ایجاد کردند، ساختارهای مهندسی شدهای که رفتار آنها به معماری آنها بستگی دارد نه به ماهیت شیمیایی اجزای آنها. چالش در توسعه فرامواد در درک چگونگی ایجاد اثرات فیزیکی خاص توسط چیدمان آنها نهفته است.
برای یافتن راهحلهای عملی، این تیم الگوریتمی را طراحی کرد که ساختارهای بینظم اما کاربردی ایجاد میکند. از طریق این تلاش، آنها شکل جدیدی از «بینظمی همبسته» را کشف کردند که موادی را توصیف میکند که بین سیستمهای کاملاً منظم و کاملاً تصادفی قرار میگیرند.
مارتینیانی توضیح میدهد: «به درختان یک جنگل فکر کنید – آنها در موقعیتهای تصادفی رشد میکنند، اما نه کاملاً تصادفی زیرا معمولاً در فاصله مشخصی از یکدیگر قرار دارند. این الگوی جدید، ژیرومورفها، خواصی را که ما معتقد بودیم ناسازگار هستند، ترکیب میکند و عملکردی را نشان میدهد که از همه جایگزینهای منظم، از جمله شبهبلورها، بهتر عمل میکند.»
محققان در طول تجزیه و تحلیل خود دریافتند که هر مادهی شکاف باند ایزوتروپیک، یک امضای ساختاری خاص را به اشتراک میگذارد.
ماتیاس کاسیولیس، دانشجوی فوق دکترا در دانشکده فیزیک دانشگاه نیویورک و نویسندهی اصلی مقاله، میافزاید: «ما میخواستیم این امضای ساختاری را تا حد امکان برجسته کنیم. نتیجه، دستهی جدیدی از مواد – ژیرومورفها – بود که ویژگیهای به ظاهر ناسازگار را با هم تطبیق میدهند.
«دلیل این امر این است که ژیرومورفها ساختار ثابت و تکراری مانند کریستال ندارند که به آنها بینظمی مایع مانند میدهد، اما در عین حال، اگر از فاصله به آنها نگاه کنید، الگوهای منظمی تشکیل میدهند. این ویژگیها با هم کار میکنند تا شکافهای باندی ایجاد کنند که امواج نور نمیتوانند از هیچ جهتی به آنها نفوذ کنند.
این تحقیق همچنین شامل آرون شی، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه نیویورک، بود و تا حدودی توسط مرکز شیمی فیزیک محاسباتی سیمونز (839534) و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی (FA9550-25-1-0359) پشتیبانی میشد.
