Forskare vid New York University har skapat gyromorfer, ett nytt metamaterial som blockerar ljus från alla riktningar effektivare än tidigare designer. Detta genombrott adresserar nyckellimiteringar i strukturer baserade på quasicrystals och kan möjliggöra snabbare, mer effektiva ljusbaserade datorer. Resultaten publiceras i Physical Review Letters.
Fotonisk databehandling, som använder ljus istället för elektriska strömmar för att bearbeta information, lovar större effektivitet och hastighet jämfört med traditionella system. Dock kräver kontroll av mikroskopiska ljusströmmar på chip material som förhindrar störande ljusinterferens från vilken vinkel som helst, kända som isotropa bandgap-material.
I årtionden har forskare förlitat sig på quasicrystals —icke-upprepningsbara strukturer föreslagna av fysikerna Paul Steinhardt och Dov Levine på 1980-talet och observerade av Dan Shechtman— för sådana tillämpningar. Ändå blockerar dessa material antingen ljus helt men bara från begränsade riktningar eller försvagar det delvis från alla sidor, och når inte upp till ideal prestanda.
Ett team vid New York University, ledd av biträdande professor Stefano Martiniani inom fysik, kemi, matematik och neuralvetenskap, har nu konstruerat gyromorfer för att övervinna dessa brister. Gyromorfer är metamaterial vars egenskaper härrör från deras arkitektur snarare än kemisk sammansättning, med en unik blandning av flytande-liknande oordning och storskaliga mönster.
"Gyromorfer skiljer sig från alla kända strukturer i att deras unika sammansättning ger upphov till bättre isotropa bandgap-material än vad som är möjligt med nuvarande metoder," sade Martiniani.
Forskare utvecklade en algoritm för att generera dessa strukturer med 'korrelerad oordning' —en balans mellan ordning och slumpmässighet—. "Tänk på träd i en skog —de växer på slumpmässiga positioner, men inte helt slumpmässigt eftersom de vanligtvis är på ett visst avstånd från varandra," förklarade Martiniani. Detta tillvägagångssätt avslöjade gyromorfers förmåga att bilda ogenomträngliga bandgap för ljusvågor.
Huvudförfattaren Mathias Casiulis, en postdoc vid NYU:s fysikavdelning, noterade: "Vi ville göra denna strukturella signatur så uttalad som möjligt. Resultatet var en ny klass av material —gyromorfer— som försonar skenbart oförenliga egenskaper. Detta beror på att gyromorfer inte har en fast, upprepningsbar struktur som en kristall, vilket ger dem en flytande-liknande oordning, men samtidigt, om man tittar på dem på avstånd, bildar de regelbundna mönster."
Studien, medförfattad av doktoranden Aaron Shih, stöddes av Simons Center for Computational Physical Chemistry (bidrag 839534) och Air Force Office of Scientific Research (FA9550-25-1-0359). Publicerad i Physical Review Letters (2025; volym 135, nummer 19; DOI: 10.1103/gqrx-7mn2), öppnar arbetet nya vägar för fotonisk chipdesign.