Νέο υβριδικό υλικό για τους φωτονικούς υπολογιστές του μέλλοντος

Οι υπολογιστές του μέλλοντος πιθανότατα δεν θα βασίζονται στο ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά στο φως. Οι λεγόμενοι φωτονικοί υπολογιστές που μεταδίδουν και επεξεργάζονται πληροφορίες μέσω φωτονίων αντί ηλεκτρονίων θεωρούνται το επόμενο μεγάλο βήμα στην εξέλιξη της πληροφορικής. Ωστόσο, παρά τις εντυπωσιακές προόδους των τελευταίων ετών, ένα πρόβλημα εξακολουθεί να στέκεται εμπόδιο: η απώλεια φωτός μέσα στα οπτικά κυκλώματα. Κάθε φορά που το φως διαχέεται ή απορροφάται από το υλικό, μέρος της ενέργειας χάνεται, μειώνοντας την αποδοτικότητα των συστημάτων.

Μια ερευνητική ομάδα του New York University ίσως βρήκε τη λύση στο gyromorph, ένα εντελώς νέο είδος υλικού που υπόσχεται να εξαλείψει σχεδόν ολοκληρωτικά την απώλεια φωτός. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τη σχεδίαση των οπτικών επεξεργαστών, καθιστώντας τους πολύ πιο αποδοτικούς και ενεργειακά οικονομικούς.

Στην ουσία, το gyromorph είναι ένα υβρίδιο που συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά δύο φαινομενικά αντίθετων κόσμων: το χαοτικό «ρευστό» μοτίβο των υγρών και την αυστηρή γεωμετρία των κρυστάλλων. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που μπλοκάρει τη διάχυση του φωτός από οποιαδήποτε κατεύθυνση, κάτι που μέχρι τώρα θεωρούταν αδύνατο. Αυτή η μοναδική διάταξη των ατόμων επιτρέπει τη δημιουργία ισότροπων οπτικών ζωνών συχνοτήτων που δεν μπορούν να διαπεραστούν από φως, ανεξάρτητα από τη γωνία πρόσπτωσης.

Μέχρι πρόσφατα, ο ρόλος του «καλύτερου υποψήφιου» για κάτι τέτοιο ανήκε στους quasicrystals, οι οποίοι ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία του 1980 και χάρισαν στον Dan Shechtman το Νόμπελ Χημείας το 2011. Οι quasicrystals είναι εξαιρετικοί διότι παρουσιάζουν τάξη χωρίς να είναι περιοδικοί, μια δομή που επαναλαμβάνεται μεν, αλλά όχι με απόλυτη συμμετρία. Ωστόσο, είχαν έναν ανυπέρβλητο περιορισμό: μπορούσαν να εμποδίσουν τη διάδοση του φωτός πλήρως μόνο σε ορισμένες κατευθύνσεις, ή μερικώς σε όλες. Αυτή η «ασυμμετρία» αποτελούσε εδώ και χρόνια τροχοπέδη στην ανάπτυξη πλήρως αποδοτικών οπτικών κυκλωμάτων.

Η ομάδα του NYU αποφάσισε να προσεγγίσει το πρόβλημα από μια διαφορετική σκοπιά, αντλώντας έμπνευση από τα λεγόμενα metamaterials (μεταϋλικά), τεχνητά υλικά των οποίων οι ιδιότητες δεν καθορίζονται από τη χημική τους σύσταση, αλλά από τη γεωμετρία των μικροσκοπικών τους δομών. Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο που μπορεί να δημιουργεί και να βελτιστοποιεί μοτίβα «συσχετισμένης αταξίας», κάτι ανάμεσα στη τυχαιότητα και την τάξη. Το αποτέλεσμα μοιάζει με ένα δάσος όπου τα δέντρα δεν είναι φυτεμένα σε τέλεια σειρά, αλλά διατηρούν μια σταθερή μέση απόσταση μεταξύ τους. Αυτό το είδος «οργανωμένου χάους» αποδείχθηκε το κλειδί για τη βέλτιστη διάδοση του φωτός.

Το εντυπωσιακό είναι ότι, παρόλο που το gyromorph φαίνεται άτακτο σε μικροσκοπική κλίμακα, διαθέτει εσωτερική συνοχή αρκετή για να παγιδεύει το φως με απόλυτη ακρίβεια. Ουσιαστικά, επιτρέπει τη δημιουργία οπτικών ζωνών συχνοτήτων που δεν αφήνουν κανένα φωτόνιο να περάσει, ανεξαρτήτως κατεύθυνσης.

Η ανακάλυψη έχει τεράστιες προοπτικές. Εάν επιβεβαιωθεί πειραματικά, μπορεί να μειώσει δραματικά τις απώλειες ενέργειας στα οπτικά κυκλώματα, κάνοντας εφικτή την κατασκευή υπολογιστών που λειτουργούν σχεδόν αποκλειστικά με φως. Αυτό σημαίνει συστήματα που είναι πολύ ταχύτερα και καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια σε σχέση με τα σημερινά ηλεκτρονικά chips.

Η ίδια τεχνολογία θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας, ακόμη και σε συσκευές που εκμεταλλεύονται το φως για ιατρικές ή ενεργειακές εφαρμογές.

[source]