Una nuova era dell’informatica è alle porte: un’era alimentata non dall’elettricità, ma dalla luce. I computer fotonici, che elaborano le informazioni utilizzando fotoni invece di correnti elettriche, promettono vantaggi straordinari: calcoli molto più rapidi, consumi energetici drasticamente ridotti e un’efficienza mai vista prima.
Nonostante il loro enorme potenziale, questi sistemi affrontano una sfida fondamentale: controllare con precisione i microscopici flussi di luce che scorrono attraverso un chip.
Perché i circuiti fotonici funzionino perfettamente, devono essere protetti dalla luce indesiderata proveniente da qualsiasi direzione. Per ottenere questo, è necessario un materiale speciale noto come materiale a bandgap isotropico — una sostanza capace di bloccare la luce in modo uniforme, senza indebolire i segnali utili. Finora, trovare materiali con queste caratteristiche si è rivelato difficile.
Ma una scoperta rivoluzionaria della New York University (NYU) potrebbe cambiare radicalmente il panorama.
Una Scoperta Rivoluzionaria: i Gyromorfi
Gli scienziati della NYU hanno identificato una nuova classe di materiali chiamati gyromorfi, un’innovazione che potrebbe sbloccare tutte le potenzialità del computing fotonico.
A differenza di qualsiasi struttura finora conosciuta, i gyromorfi combinano caratteristiche tipiche dei liquidi e dei cristalli — due stati che, in questo contesto, si pensava fossero incompatibili.
La scoperta, pubblicata su Physical Review Letters, introduce una strategia completamente nuova per manipolare la luce su scala microscopica, offrendo una capacità senza precedenti di bloccare la luce da tutte le direzioni.
Il professor Stefano Martiniani, autore senior dello studio, afferma:
“I gyromorfi sono diversi da qualsiasi struttura conosciuta. La loro composizione unica permette di ottenere materiali a bandgap isotropico migliori di quelli possibili con gli approcci attuali.”
Perché i Materiali Tradizionali non Sono Sufficienti
Per decenni, i ricercatori si sono affidati ai quasicristalli nel tentativo di creare materiali isotropici. Queste strutture, proposte per la prima volta negli anni ’80 e successivamente osservate sperimentalmente, offrivano un grande potenziale ma con notevoli limitazioni.
I quasicristalli possono:
- bloccare completamente la luce, ma solo da determinate direzioni,
oppure - attenuare la luce da tutte le direzioni, ma senza bloccarla del tutto.
Questo compromesso ha impedito loro di diventare materiali ideali, spingendo gli scienziati a cercare alternative più efficaci.
Ingegnerizzare una Nuova Generazione di Metamateriali
Il team della NYU ha affrontato il problema progettando metamateriali, strutture ingegnerizzate in cui le proprietà emergono dalla geometria piuttosto che dalla composizione chimica.
Una delle maggiori difficoltà nella creazione di metamateriali è comprendere come la loro struttura influisca sui comportamenti fisici. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo avanzato capace di generare strutture con un particolare tipo di disordine correlato.
Questo tipo di disordine si colloca tra:
- ordine totale (come nei cristalli),
e - casualità totale (come nei liquidi).
Martiniani spiega con un esempio efficace:
“Pensate agli alberi in una foresta: crescono in posizioni casuali, ma non completamente casuali perché mantengono una certa distanza fra loro. I gyromorfi funzionano allo stesso modo, combinando caratteristiche che prima ritenevamo incompatibili.”
Il risultato è una struttura che supera tutte le alternative ordinate, compresi i quasicristalli.
Come i Gyromorfi Ottenengono una Capacità di Blocco della Luce Unica
Durante l’analisi, i ricercatori hanno scoperto che tutti i materiali isotropici efficaci condividono una sorta di firma strutturale comune.
L’obiettivo del team era amplificare questa caratteristica il più possibile.
Da qui è nata la classe dei gyromorfi — materiali che possiedono:
- disordine simile a quello dei liquidi, che impedisce la formazione di percorsi ottici ripetitivi,
e allo stesso tempo - un ordine strutturale a lungo raggio, che garantisce stabilità e uniformità.
Mathias Casiulis, autore principale dello studio, afferma:
“I gyromorfi non hanno un pattern ripetitivo come i cristalli, eppure, osservati da lontano, formano strutture ordinate. Queste proprietà insieme generano bandgap che le onde luminose non possono attraversare da nessuna direzione.”
Questo rende i gyromorfi i materiali a bandgap isotropico più potenti mai scoperti — un passo fondamentale verso computer fotonici veramente efficienti e scalabili.
Il Futuro del Calcolo Basato sulla Luce
Lo studio, sostenuto dal Simons Center for Computational Physical Chemistry e dall’Air Force Office of Scientific Research, rappresenta un enorme avanzamento nella progettazione di materiali ottici.
In futuro, i gyromorfi potrebbero:
- abilitare processori più veloci e più efficienti
- migliorare le prestazioni e la stabilità dei chip fotonici
- accelerare la transizione dai computer tradizionali ai computer alimentati dalla luce
- influenzare settori come telecomunicazioni, calcolo quantistico, imaging e sensori avanzati
Man mano che l’informatica fotonica si avvicina alla tecnologia mainstream, i gyromorfi potrebbero diventare le fondamenta della prossima rivoluzione tecnologica — una rivoluzione in cui la velocità della luce non è solo un limite fisico, ma la nuova base del calcolo moderno.
