پیشرفت بزرگ در فناوری فوتونیک: ژیرومورف، کلید تراشه‌های سریع‌تر و کارآمدتر

محققان دانشگاه نیویورک، ژیرومورف‌ها، یک ماده کریستال مایع هیبریدی را کشف کردند که در مسدود کردن نور سرگردان، از شبه‌بلورها بهتر عمل می‌کند.

کد خبر: ۱۳۲۸۰۰۳

جمعه - ۱۶ آبان ۱۴۰۴ / November 07, 2025

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، محاسبات مبتنی بر نور به تازگی یک متحد جدید و شگفت‌انگیز پیدا کرده است: ماده‌ای که هم مانند مایع و هم مانند کریستال رفتار می‌کند.

سال‌هاست که محققان برای ساخت رایانه‌هایی که به جای برق با فوتون‌ها کار می‌کنند، در رقابت هستند. این سیستم‌های نوری نوید پردازش سریع‌تر و مصرف انرژی بسیار کمتر را می‌دهند.

اما یک مانع سرسخت، این حوزه را عقب نگه داشته است و سیگنال‌های نوری کوچک را بدون از دست دادن قدرت، به طور مؤثر در سراسر تراشه هدایت می‌کند.

انجام این کار نیازمند یک «ماده با شکاف باند ایزوتروپیک» است که بتواند نور سرگردان را از هر جهتی مسدود کند. اینجاست که دانشمندان دانشگاه نیویورک می‌گویند به موفقیت بزرگی دست یافته‌اند.

منطق سیال پدیدار می‌شود

این تیم یک ساختار ترکیبی کشف کرده است که آن را «ژیرومورف» می‌نامند. این مواد، بی‌نظمی مایع‌مانند را با الگوی کریستال‌مانند ترکیب می‌کنند و در جلوگیری از نور ناخواسته، از هر جایگزین شناخته‌شده‌ای بهتر عمل می‌کنند.

استفانو مارتینیانی، نویسنده ارشد این مطالعه، می‌گوید: «ژیرومورف‌ها برخلاف هر ساختار شناخته‌شده‌ای هستند، زیرا آرایش منحصر‌به‌فرد آنها باعث ایجاد مواد با شکاف باند ایزوتروپیک بهتر از آنچه با رویکرد‌های فعلی امکان‌پذیر است، می‌شود.»

از نظر تاریخی، محققان به شبه‌بلورها، ساختار‌هایی که نظم ریاضی را نشان می‌دهند، اما هرگز تکرار نمی‌شوند، به عنوان بهترین نامزد‌ها برای شکاف‌های باند ایزوتروپیک تکیه کرده‌اند.

شبه‌بلور‌ها ابتدا در دهه ۱۹۸۰ به صورت نظری مطرح شدند و بعد‌ها به صورت تجربی مشاهده شدند، کشفی که جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۱ را برای دن شختمن به ارمغان آورد.

اما شبه‌بلور‌ها یک عیب هم دارند: آنها می‌توانند نور را از برخی جهات به طور کامل مسدود کنند یا آن را از همه جهات تا حدی مسدود کنند. این بده‌بستان باعث شده است که مهندسان به دنبال ماده‌ای باشند که بتواند این کار را بدون هیچ مشکلی انجام دهد.

مارتینیانی مزیت ساختار جدید را تکرار می‌کند: «ژیرومورف‌ها برخلاف هر ساختار شناخته‌شده‌ای هستند، زیرا آرایش منحصر‌به‌فرد آنها باعث ایجاد مواد با شکاف باند ایزوتروپیک بهتر از آنچه با رویکرد‌های فعلی ممکن است، می‌شود.»

اختلال الگودار کار می‌کند

گروه دانشگاه نیویورک از طریق متامواد - ساختار‌های مهندسی‌شده‌ای که خواص آنها از هندسه ناشی می‌شود نه از شیمی - به این مسئله نزدیک شدند. با این حال، طراحی آنها مستلزم درک چگونگی ایجاد رفتار‌های نوری خاص توسط ساختار‌های پیچیده است.

برای یافتن راه‌حل بهتر، محققان الگوریتمی برای مهندسی معماری‌های بی‌نظم مفید ساختند. این امر منجر به نوع کاملاً جدیدی از «بی‌نظمی همبسته»، حالتی بین تصادفی بودن و منظم بودن، شد.

مارتینیانی توضیح می‌دهد: «درختان یک جنگل را در نظر بگیرید - آنها در موقعیت‌های تصادفی رشد می‌کنند، اما نه کاملاً تصادفی، زیرا معمولاً فاصله مشخصی از یکدیگر دارند.» او می‌گوید این چیدمان، ژیرومورف‌ها را قادر می‌سازد تا «خواصی را که ما معتقد بودیم ناسازگار هستند، ترکیب کنند» و «از همه جایگزین‌های منظم، از جمله شبه‌بلورها، بهتر عمل کنند».

این تیم همچنین یک امضای ساختاری تکرارشونده را در تمام مواد دارای شکاف باند ایزوتروپیک شناسایی کرد. سپس آن ویژگی را تا ظهور دسته جدیدی از ساختار‌ها تقویت کردند.

ماتیاس کاسیولیس، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه، می‌گوید: «ما می‌خواستیم این امضای ساختاری را تا حد امکان برجسته کنیم. نتیجه، دسته‌ی جدیدی از مواد به نام ژیرومورف‌ها بود که ویژگی‌های به ظاهر ناسازگار را با هم تطبیق می‌دهند.»

او اضافه می‌کند که ژیرومورف‌ها تصادفی بودنی شبیه به مایع دارند، اما الگو‌های منظم و دوربردی را تشکیل می‌دهند که به آنها اجازه می‌دهد «گپ‌های نواری ایجاد کنند که امواج نور از هیچ جهتی نمی‌توانند به آنها نفوذ کنند».

این کار که توسط مرکز شیمی فیزیکی محاسباتی سیمونز و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی پشتیبانی می‌شود، می‌تواند به پیشبرد محاسبات مبتنی بر فوتون به سمت کاربرد عمومی کمک کند.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.