Un gruppo di scienziati della New York University ha identificato una nuova classe di strutture che potrebbe rivoluzionare lo sviluppo dei computer fotonici. Si tratta dei giromorfi, materiali che sfidano le categorie tradizionali combinando caratteristiche tipiche dei liquidi con proprietà cristalline, risultando particolarmente efficaci nel bloccare la luce proveniente da qualsiasi direzione. La scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, rappresenta un passo avanti significativo nella progettazione di materiali con bandgap isotropico, una proprietà fondamentale per i futuri sistemi di calcolo basati sui fotoni anziché sugli elettroni.
I computer fotonici promettono di superare i limiti delle architetture elettroniche tradizionali in termini di efficienza energetica e velocità di elaborazione. Tuttavia, una sfida cruciale nell'implementazione di questi dispositivi rimane il controllo dei segnali luminosi su scala microscopica all'interno dei chip. Per mantenere l'intensità del segnale, è necessario impedire che fotoni indesiderati interferiscano con le informazioni trasportate dalla luce, richiedendo materiali capaci di bloccare completamente la radiazione elettromagnetica indipendentemente dall'angolo di incidenza. Questa proprietà, nota come bandgap isotropico, è stata fino ad oggi difficile da ottenere con le strutture disponibili.
Per decenni, i fisici hanno esplorato i quasicristalli come candidati per applicazioni ottiche avanzate. Questi materiali, teorizzati negli anni Ottanta dai fisici Paul Steinhardt e Dov Levine e osservati sperimentalmente da Dan Schechtman (che valse al ricercatore il Premio Nobel per la Chimica nel 2011), presentano un ordine matematico nella loro struttura, ma privo della periodicità caratteristica dei cristalli tradizionali. Nonostante le loro proprietà uniche, i quasicristalli mostrano un compromesso intrinseco: o bloccano completamente la luce ma solo da direzioni specifiche, oppure la attenuano parzialmente da tutte le direzioni senza però arrestarla del tutto.
Il team guidato da Stefano Martiniani, professore di fisica, chimica, matematica e neuroscienze alla NYU e autore senior dello studio, ha affrontato il problema da una prospettiva radicalmente diversa. Anziché ottimizzare strutture ordinate esistenti, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo capace di progettare metamateriali con disordine funzionale. I metamateriali sono sostanze ingegnerizzate le cui proprietà derivano principalmente dalla loro architettura strutturale piuttosto che dalla composizione chimica. La sfida principale consisteva nel comprendere come specifiche configurazioni strutturali potessero generare le proprietà ottiche desiderate.
L'algoritmo ha condotto alla scoperta di una forma inedita di disordine correlato, uno stato intermedio tra il caos completo e l'ordine perfetto. Come spiega Martiniani con un'analogia efficace: "Pensate agli alberi in una foresta: crescono in posizioni casuali, ma non completamente casuali perché mantengono generalmente una certa distanza l'uno dall'altro". Questa nuova configurazione materiale presenta simultaneamente il disordine tipico dei liquidi e la regolarità a lungo raggio caratteristica dei cristalli, proprietà che la fisica dei materiali considerava tradizionalmente mutuamente esclusive.
Mathias Casiulis, ricercatore postdottorale nel Dipartimento di Fisica della NYU e primo autore dell'articolo, descrive il processo che ha portato all'identificazione dei giromorfi: analizzando sistematicamente tutti i materiali con bandgap isotropico, il gruppo ha rilevato una firma strutturale comune. L'obiettivo successivo è stato rendere questa caratteristica strutturale il più pronunciata possibile attraverso l'ottimizzazione computazionale. Il risultato è una classe di materiali che, osservati a livello microscopico, mancano di una struttura fissa e ripetitiva come nei cristalli, conferendo loro un disordine simile a quello liquido. Tuttavia, a scale di osservazione maggiori, formano pattern regolari che collaborano per creare bandgap impenetrabili alle onde luminose provenienti da qualsiasi angolazione.
Dal punto di vista della funzione d'onda elettromagnetica e della densità degli stati fotonici, i giromorfi mostrano una deplezione significativa nelle frequenze corrispondenti al bandgap, superiore a quella osservabile nei quasicristalli. La funzione di correlazione di coppia dei giromorfi rivela ordine a medio raggio combinato con isotropia completa, mentre il fattore di struttura indica uniformità nella diffusione della luce in tutte le direzioni spaziali. Queste proprietà, misurabili attraverso tecniche di scattering ottico, confermano sperimentalmente la capacità dei gyromorfi di riflettere completamente fasci di luce polarizzata.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta si estendono oltre il campo dei computer fotonici. Materiali con controllo preciso sulla propagazione della luce potrebbero trovare applicazione nella progettazione di fibre ottiche a bassa dispersione, nella realizzazione di risonatori ottici ad alta efficienza e nello sviluppo di dispositivi per la manipolazione quantistica della luce. La metodologia computazionale sviluppata dal gruppo, che ha coinvolto anche Aaron Shih, studente di dottorato alla NYU, apre inoltre prospettive per la scoperta di ulteriori classi di materiali funzionali con disordine progettato.
La ricerca solleva questioni fondamentali sulla natura dell'ordine nei materiali e sulla relazione tra struttura e funzione. Mentre tradizionalmente i materiali venivano classificati lungo uno spettro che va dai cristalli perfettamente ordinati ai vetri completamente disordinati, i giromorfi suggeriscono l'esistenza di un vasto territorio inesplorato di stati strutturali intermedi con proprietà uniche. I prossimi passi includeranno la sintesi sperimentale di giromorfi fisici, finora esistenti principalmente come modelli computazionali, e la caratterizzazione delle loro proprietà ottiche mediante tecniche spettroscopiche avanzate.