新型“旋转材料”或让电脑速度飞升

光驱动计算仍处于早期阶段，其中一个主要技术障碍是控制芯片中传输的微小光流。在不减弱这些微观信号的前提下改变其路径，需要精心设计的材料。为保持信号强度，硬件必须包含一种轻质物质，能阻止杂散光从任何方向进入，这种材料被称为“各向同性带隙材料”。

纽约大学发现陀螺形材料
纽约大学的科学家发现了一种名为“陀螺形材料”（gyromorphs）的新型材料，它比任何已知结构都能更有效地应对这一挑战。陀螺形材料结合了通常与液体和晶体相关的特性，但其阻挡所有角度入射光的能力却超过了两者。这项发表在《物理评论快报》上的发现，提出了一种调节光学行为的新策略，并可能有助于推动光子计算机的发展。

“陀螺形材料不同于任何已知结构，其独特的组成使其能产生比现有方法更优异的各向同性带隙材料，”物理学、化学、数学和神经科学助理教授、该研究的资深作者斯特凡诺·马蒂尼亚尼（Stefano Martiniani）说。

现有材料为何存在不足
几十年来，研究人员在设计各向同性带隙材料时一直寄望于准晶体。这些结构由物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和多夫·莱文（Dov Levine）于20世纪80年代首次提出，后由丹·谢赫特曼（Dan Schechtman）观察到，它们遵循数学规则，但不像传统晶体那样具有周期性重复结构。

尽管前景广阔，但纽约大学团队指出，准晶体存在一个权衡问题：它们可能完全阻挡光，但仅能从有限的方向；或者，它们可以减弱所有方向的光，但无法完全阻止。这一局限性促使科学家寻找能更全面阻挡损害信号的光的替代材料。

设计新型超材料
在《物理评论快报》的研究中，纽约大学的研究人员制造了“超材料”——这类人工设计的结构，其特性取决于自身的结构而非化学成分。设计这些材料的一个主要挑战在于理解它们的排列方式如何产生期望的物理行为。

为解决这一问题，该团队开发了一种算法，能够生成具有内在无序性的功能结构。他们的研究揭示了一种新的“关联无序”形式，这种无序介于完全有序和完全随机两种极端之间。

“想象一下森林里的树木——它们生长在随机位置，但并非完全随机，因为它们之间通常保持一定距离，”马蒂尼亚尼解释道，“这种新的模式——陀螺形材料，结合了我们曾认为互不相容的特性，并且其性能优于所有有序替代材料，包括准晶体。”

陀螺形材料如何实现其独特性能
在分析过程中，科学家们观察到，每种各向同性带隙材料都表现出一种共同的结构特征。

“我们希望尽可能突出这种结构特征，”纽约大学物理系博士后研究员、该论文的第一作者马蒂亚斯·卡西ulis（Mathias Casiulis）说，“结果就产生了一类新的材料——陀螺形材料，它调和了看似不相容的特性。

“这是因为陀螺形材料不像晶体那样具有固定的重复结构，这使其具有类似液体的无序性；但同时，从远处看，它们又会形成规则的图案。这些特性共同作用，形成了光波无法从任何方向穿透的带隙。”

该研究还包括纽约大学研究生亚伦·施（Aaron Shih），并得到了西蒙斯计算物理化学中心（编号839534）和美国空军科学研究办公室（编号FA9550-25-1-0359）的支持。