The Martiniani Lab / NYU
Ilustração das propriedades de um giromorfo de 60 dobras
Os materiais giromorfos agora criados combinam ordem e desordem para fornecer um poder de bloqueio de luz sem precedentes para computadores fotónicos de próxima geração.
Uma equipa de investigadores da Universidade de Nova Iorque (NYU) criou “giromorfos“, um novo tipo de metamaterial que combina aleatoriedade semelhante à dos líquidos com padrões estruturais de grande escala para bloquear a luz proveniente de todas as direcões.
Esta inovação resolve limitações há muito existentes em conceções baseadas em quasicristais e poderá acelerar os avanços na computação fotónica.
Nos últimos anos, os investigadores têm estado a a explorar uma nova geração de computadores que funcionam utilizando luz, ou fotões, em vez de correntes elétricas.
Os sistemas que dependem da luz para armazenar e processar informação poderão um dia funcionar de forma muito mais eficiente e completar cálculos muito mais rapidamente do que as máquinas convencionais.
A computação baseada em luz ainda se encontra numa fase inicial, e um dos principais obstáculos técnicos envolve o controlo de pequenos fluxos de luz que viajam através de um chip.
Reencaminhar estes sinais microscópicos sem os enfraquecer requer materiais cuidadosamente desenvolvidos. Para manter os sinais fortes, o hardware deve incluir uma substância leve que impeça a entrada de luz dispersa proveniente de qualquer direcção.
Este tipo de material é conhecido como “material isotrópico de banda proibida“, explica o Science Daily.
Descoberta dos Giromorfos na NYU
Cientistas da Universidade de Nova Iorque identificaram agora um novo material, a que foi dado o nome de “giromorfos“, que responde a este desafio de forma mais eficaz do que qualquer outra estrutura conhecida.
Estes giromorfos combinam características normalmente associadas aos líquidos e cristais, mas superam ambos na sua capacidade de bloquear a luz incidente proveniente de todos os ângulos.
A descoberta, apresentada num artigo publicado na Physical Review Letters, introduz uma estratégia inovadora para ajustar o comportamento óptico e poderá ajudar a fazer avançar o desenvolvimento de computadores fotónicos.
“Os giromorfos são diferentes de qualquer estrutura conhecida, na medida em que a sua composição única dá origem a melhores materiais isotrópicos de banda proibida do que é possível com as abordagens actuais”, afirma Stefano Martiniani, professor de física matemática e neurociência da NYU e autor principal do artigo.
Durante décadas, os investigadores recorreram aos quasicristais ao conceber materiais isotrópicos de banda proibida. Estas estruturas, propostas pela primeira vez 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 da sua promessa, os quasicristais apresentam uma desvantagem notada pela equipa da NYU. Podem bloquear completamente a luz, mas apenas a partir de direções limitadas.
Em alternativa, podem enfraquecer a luz proveniente de todas as direções, mas falham em pará-la completamente. Esta limitação tem levado os cientistas a procurar alternativas que possam bloquear a luz degradante dos sinais de forma mais abrangente.
Novos metamateriais
No seu estudo , os investigadores da NYU criaram “metamateriais”, que são estruturas desenvolvidas cujas propriedades dependem da sua arquitetura e não da sua composição química.
Um dos principais desafios na conceção destes materiais reside na compreensão de como a sua disposição leva aos comportamentos físicos desejados.
Para superar isto, a equipa desenvolveu um algoritmo capaz de produzir estruturas funcionais com desordem incorporada. O seu trabalho revelou uma nova forma de “desordem correlacionada” que se situa entre os extremos totalmente ordenado e totalmente aleatório.
“Pensem nas árvores numa floresta: crescem em posições aleatórias, mas não completamente aleatórias porque normalmente estão a uma certa distância umas das outras”, explica Martiniani.
“Este novo padrão, os giromorfos, combina propriedades que acreditávamos serem incompatíveis e apresenta uma função que supera todas as alternativas ordenadas, incluindo os quasicristais.”
Durante a sua análise, os cientistas observaram que todos os materiais isotrópicos de banda proibida exibiam uma assinatura estrutural partilhada.
“Queríamos tornar esta assinatura estrutural o mais pronunciada possível“, explica Mathias Casiulis, investigador no Departamento de Física da NYU e primeiro autor do artigo. “O resultado, os giromorfos, doi uma nova classe de materiais, que conciliam características aparentemente incompatíveis“.
“Isto deve-se ao facto de os giromorfos não terem uma estrutura fixa e repetitiva como um cristal, o que lhes confere uma desordem semelhante à dos líquidos, mas, ao mesmo tempo, se os observarmos à distância, formam padrões regulares”, detalha o investigador.
“Estas propriedades trabalham em conjunto para criar bandas proibidas que as ondas de luz não conseguem penetrar a partir de qualquer direção”, conclui.
