Pesquisadores estão explorando uma nova geração de computadores que operam usando luz, ou fótons, em vez de correntes elétricas. Sistemas que dependem da luz para armazenar e processar informações poderiam, um dia, funcionar de forma muito mais eficiente e concluir cálculos muito mais rapidamente do que as máquinas convencionais.
A computação impulsionada por 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 dispersa de qualquer direção. Esse tipo de material é conhecido como “material com bandgap isotrópico”.
Descoberta dos Giromorfos na NYU
Cientistas da Universidade de Nova York identificaram um novo material chamado “giromorfos” que atende a esse desafio de maneira mais eficaz do que qualquer outra estrutura conhecida. Giromorfos combinam características normalmente associadas a líquidos e cristais, mas superam ambos em sua capacidade de bloquear a luz que chega 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 o desenvolvimento de computadores fotônicos.
“Giromorfos são diferentes de qualquer estrutura conhecida, pois sua composição única resulta em melhores materiais com bandgap isotrópico do que o que é possível com as abordagens atuais,” diz Stefano Martiniani, professor assistente de física, química, matemática e ciências neurais, e autor sênior do estudo.
Por Que os Materiais Existentes Não São Suficientes
Durante décadas, pesquisadores têm voltado sua atenção para os quasicristais ao projetar materiais com bandgap isotrópico. 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 os cristais tradicionais.
Apesar de sua promessa, os quasicristais têm uma desvantagem observada pela equipe da NYU. Eles podem bloquear completamente a luz, mas apenas a partir de direções limitadas. Alternativamente, podem enfraquecer a luz de todas as direções, mas falham em bloqueá-la completamente. Essa limitação tem levado os cientistas a buscar alternativas que possam bloquear a luz que degrada o 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 projetadas cujas propriedades dependem de sua arquitetura, em vez de sua composição química. Um dos principais desafios no design desses materiais está em entender como seu arranjo resulta em comportamentos físicos desejados.
Para superar isso, a equipe desenvolveu um algoritmo capaz de produzir estruturas funcionais com desordem incorporada. 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 totalmente aleatórias, porque geralmente estão a uma certa distância umas das outras,” explica Martiniani. “Esse novo padrão, giromorfos, combina propriedades que acreditávamos ser incompatíveis e exibe uma função que supera todas as alternativas ordenadas, incluindo quasicristais.”
Como os Giromorfos Obtêm Suas Capacidades Únicas
Durante sua análise, os cientistas observaram que todo material com bandgap isotrópico apresentava uma assinatura estrutural comum.
“Queríamos tornar essa assinatura estrutural o mais pronunciada possível,” diz Mathias Casiulis, um bolsista pós-doutoral no Departamento de Física da NYU e autor principal do artigo. “O resultado foi uma nova classe de materiais — os giromorfos — que reconciliam características aparentemente incompatíveis.”
“Isso acontece porque os giromorfos não têm uma estrutura fixa e repetitiva como um cristal, o que lhes confere uma desordem semelhante a líquidos, mas, ao mesmo tempo, se você olhar para eles à distância, eles formam padrões regulares. Essas propriedades trabalham juntas para criar bandgaps que as ondas de luz não podem penetrar a partir de qualquer direção.”
A pesquisa também envolveu 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).
