Nuevos materiales "gyromorph" prometen revolucionar la computación fotónica

Investigadores de la Universidad de Nueva York han desarrollado un nuevo tipo de metamaterial conocido como "gyromorphs", que combina características de líquidos y cristales para bloquear la luz desde todas las direcciones. Este avance podría transformar la computación fotónica, permitiendo que las computadoras operen con luz en lugar de corrientes eléctricas, lo que podría resultar en sistemas mucho más eficientes y rápidos.

La computación basada en luz se encuentra en una etapa inicial, y uno de los principales desafíos técnicos es controlar los pequeños flujos de luz que viajan a través de un chip. Para mantener la señal fuerte, es necesario utilizar materiales que impidan que la luz no deseada ingrese desde cualquier dirección. Los gyromorphs se presentan como una solución efectiva a este problema, superando las limitaciones de los materiales isotrópicos convencionales.

El descubrimiento de los gyromorphs, publicado en Physical Review Letters, ofrece una nueva estrategia para ajustar el comportamiento óptico y podría acelerar el desarrollo de computadoras fotónicas. Según Stefano Martiniani, profesor asistente de física, química, matemáticas y neurociencia, y autor principal del estudio, "los gyromorphs son únicos en su capacidad para crear materiales de banda isotrópica más efectivos que los enfoques actuales".

Durante décadas, los investigadores han explorado los quasicristales como base para diseñar materiales de banda isotrópica. Sin embargo, estos materiales, aunque prometedores, presentan un inconveniente: pueden bloquear completamente la luz, pero solo desde direcciones limitadas. Alternativamente, pueden debilitar la luz desde todas las direcciones, pero no logran detenerla por completo. Esta limitación ha llevado a los científicos a buscar alternativas que puedan bloquear la luz de manera más efectiva.

En su estudio, los investigadores de NYU crearon metamateriales, estructuras diseñadas cuya funcionalidad depende de su arquitectura en lugar de su composición química. Un desafío clave en el diseño de estos materiales es comprender cómo su disposición conduce a comportamientos físicos deseados. Para ello, el equipo desarrolló un algoritmo que genera estructuras funcionales con desorden incorporado, revelando una nueva forma de "desorden correlacionado" que se sitúa entre los extremos de orden total y desorden total.

Martiniani explica: "Imagina árboles en un bosque: crecen en posiciones aleatorias, pero no completamente al azar, ya que suelen estar a cierta distancia unos de otros. Este nuevo patrón, los gyromorphs, combina propiedades que creíamos incompatibles y muestra una función que supera todas las alternativas ordenadas, incluidos los quasicristales".

Durante su análisis, los científicos notaron que todos los materiales de banda isotrópica exhibían una firma estructural compartida. Mathias Casiulis, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de NYU y autor principal del artículo, afirmó: "Queríamos hacer esta firma estructural lo más pronunciada posible. El resultado fue una nueva clase de materiales: los gyromorphs, que reconcilian características aparentemente incompatibles".

Los gyromorphs no tienen una estructura fija y repetitiva como un cristal, lo que les otorga un desorden similar al de un líquido, pero al observarlos desde la distancia, forman patrones regulares. Estas propiedades trabajan en conjunto para crear bandas que las ondas de luz no pueden penetrar desde ninguna dirección. El estudio también incluyó a Aaron Shih, estudiante graduado de NYU, y recibió apoyo del Simons Center for Computational Physical Chemistry y de la Air Force Office of Scientific Research.