Novos materiais “giromorfos” selvagens podem tornar os computadores incrivelmente rápidos

A computação baseada em luz ainda está numa fase inicial e um dos principais obstáculos técnicos envolve o controlo de pequenos fluxos de luz que viajam através de 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 difusa de qualquer direção. Este tipo de material é conhecido como “material bandgap isotrópico”.

Descoberta de giromorfos na NYU

Cientistas da Universidade de Nova Iorque identificaram um novo material chamado “giromorfos” que responde a este desafio de forma mais eficaz do que qualquer outra estrutura conhecida. Os giromorfos combinam características normalmente associadas a líquidos e cristais, mas excedem ambos na capacidade de bloquear a entrada de luz 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.

“Os giromorfos são diferentes de qualquer estrutura conhecida, na medida em que a sua composição única dá origem a melhores materiais isotrópicos de bandgap do que é possível com as abordagens atuais,” afirma Stefano Martiniani, professor assistente de física, química, matemática e ciências neurais, e autor sénior do estudo.

Por que os materiais existentes são insuficientes

Durante décadas, os pesquisadores olharam para os quasicristais ao projetar materiais isotrópicos de bandgap. Estas estruturas, propostas pela primeira vez 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 os cristais tradicionais.

Apesar de sua promessa, os quasicristais apresentam uma compensação observada pela equipe da NYU. Eles podem bloquear completamente a luz, mas apenas em direções limitadas. Alternativamente, eles podem enfraquecer a luz de todas as direções, mas não conseguem pará-la totalmente. Essa limitação levou os cientistas a buscar alternativas que possam bloquear a luz que degrada o sinal de forma mais abrangente.

Engenharia de novos metamateriais

Em seu Cartas de revisão física No estudo, os pesquisadores da NYU criaram “metamateriais”, que são estruturas projetadas cujas propriedades dependem de sua arquitetura e não de sua composição química. Um grande desafio no projeto desses materiais reside na compreensão de como seu arranjo leva aos comportamentos físicos desejados.

Para superar isso, a equipe desenvolveu um algoritmo capaz de produzir estruturas funcionais com desordem embutida. O trabalho deles revelou uma nova forma de “desordem correlacionada” que fica entre os extremos totalmente ordenados e totalmente aleatórios.

“Pense nas árvores de uma floresta – elas crescem em posições aleatórias, mas não completamente aleatórias porque geralmente estão a uma certa distância umas das outras”, explica Martiniani. “Este novo padrão, giromorfos, combina propriedades que acreditávamos serem incompatíveis e exibe uma função que supera todas as alternativas ordenadas, incluindo quasicristais.”

Como os giromorfos alcançam suas capacidades únicas

Durante a análise, os cientistas observaram que cada material isotrópico de bandgap exibia uma assinatura estrutural compartilhada.

“Queríamos tornar esta assinatura estrutural o mais pronunciada possível”, diz Mathias Casiulis, pós-doutorado no Departamento de Física da NYU e autor principal do artigo. “O resultado foi uma nova classe de materiais – giromorfos – que reconciliam características aparentemente incompatíveis.

“Isso ocorre porque os giromorfos 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 à distância, eles formam padrões regulares.

A pesquisa também incluiu Aaron Shih, um estudante de pós-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).