أبحاث في جامعة نيويورك أنشأوا جيرومورفس، وهو ميتامادة جديدة تحجب الضوء من جميع الاتجاهات بشكل أكثر فعالية من التصاميم السابقة. يعالج هذا الاختراق قيودًا رئيسية في الهياكل المبنية على الكريستالات شبه النظامية وقد يمكن من حواسيب تعتمد على الضوء أسرع وأكثر كفاءة. تظهر النتائج في Physical Review Letters.
الحوسبة الفوتونية، التي تستخدم الضوء بدلاً من التيارات الكهربائية لمعالجة المعلومات، تعد بكفاءة وسرعة أكبر من الأنظمة التقليدية. ومع ذلك، يتطلب التحكم في تدفقات الضوء المجهرية على الرقائق مواد تمنع تداخل الضوء المتشتت من أي زاوية، وتُعرف باسم مواد الفجوة النطاقية المتساوية الاتجاهات.
لعقود، اعتمد العلماء على الكريستالات شبه النظامية —هياكل غير متكررة اقترحها الفيزيائيون بول شتاينهاردت ودوف ليفين في الثمانينيات ولاحظها دان شيختمان— لهذه التطبيقات. ومع ذلك، إما أن هذه المواد تحجب الضوء تمامًا لكن فقط من اتجاهات محدودة أو تضعفه جزئيًا من جميع الجوانب، مما يقصر من الأداء المثالي.
فريق في جامعة نيويورك، بقيادة الأستاذ المساعد ستيفانو مارتينياني في الفيزياء والكيمياء والرياضيات والعلوم العصبية، قام الآن بتصميم جيرومورفس للتغلب على هذه العيوب. الجيرومورفس هي ميتامواد تشتق خصائصها من هندستها بدلاً من تركيبتها الكيميائية، وتتميز بمزيج فريد من الفوضى الشبيهة بالسائل وأنماط واسعة النطاق.
"الجيرومورفس تختلف عن أي هيكل معروف في أن تركيبتها الفريدة تؤدي إلى مواد فجوة نطاقية متساوية الاتجاهات أفضل مما هو ممكن بالنهج الحالية"، قال مارتينياني.
طور الباحثون خوارزمية لتوليد هذه الهياكل بـ'فوضى مترابطة' —توازن بين النظام والعشوائية—. "فكر في الأشجار في الغابة —تنمو في مواقع عشوائية، لكن ليس عشوائية تمامًا لأنها عادةً على مسافة معينة من بعضها البعض"، شرح مارتينياني. كشف هذا النهج عن قدرة الجيرومورفس على تشكيل فجوات نطاقية غير قابلة للاختراق لموجات الضوء.
المؤلف الرئيسي ماثياس كاسيوليس، زميل ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة نيويورك، أشار: "كنا نريد جعل هذه السمة الهيكلية أكثر وضوحًا قدر الإمكان. النتيجة كانت فئة جديدة من المواد —الجيرومورفس— التي تصالح ميزات تبدو غير متوافقة. هذا لأن الجيرومورفس لا تمتلك هيكلًا ثابتًا ومتكررًا مثل الكريستال، مما يعطيها فوضى شبيهة بالسائل، لكن، في الوقت نفسه، إذا نظرت إليها من بعيد فإنها تشكل أنماطًا منتظمة."
الدراسة، التي شارك في تأليفها الطالب الخريج آرون شيه، دعمتها مركز سيمونز للكيمياء الفيزيائية الحاسوبية (منحة 839534) ومكتب أبحاث القوات الجوية (FA9550-25-1-0359). نشرت في Physical Review Letters (2025؛ المجلد 135، العدد 19؛ DOI: 10.1103/gqrx-7mn2)، يفتح العمل مسارات جديدة لتصميم رقائق فوتونية.