I computer del futuro potrebbero sostituire gli elettroni con i fotoni per processare informazioni a velocità impensabili, ma un ostacolo fondamentale ha finora limitato lo sviluppo: come controllare microscopici flussi di luce all'interno di un chip senza disperderli o indebolirli. La soluzione richiede materiali capaci di bloccare completamente la luce vagante proveniente da qualsiasi direzione, i cosiddetti "materiali a bandgap isotropico". Oggi, un gruppo di ricercatori della New York University ha identificato una struttura completamente nuova, denominata gyromorph, che supera qualsiasi altro materiale conosciuto in questa funzione critica, aprendo prospettive concrete per i computer fotonici di prossima generazione.
I gyromorph rappresentano una classe di metamateriali del tutto inedita, che riconcilia proprietà fino ad oggi considerate incompatibili dalla fisica della materia. Come spiega Stefano Martiniani, professore associato di fisica, chimica, matematica e neuroscienze alla NYU e autore senior dello studio pubblicato su Physical Review Letters, "i gyromorph sono diversi da qualsiasi struttura nota: la loro composizione unica genera materiali a bandgap isotropico migliori di quanto sia possibile con gli approcci attuali". La ricerca, condotta in collaborazione con Mathias Casiulis, ricercatore postdottorale, e Aaron Shih, dottorando, ha ricevuto finanziamenti dal Simons Center for Computational Physical Chemistry e dall'Air Force Office of Scientific Research.
Per comprendere l'importanza di questa scoperta, occorre considerare i limiti delle soluzioni precedenti. Dagli anni Ottanta, quando i fisici Paul Steinhardt e Dov Levine proposero teoricamente i quasicristalli – successivamente osservati sperimentalmente da Dan Schechtman – questi materiali sono stati considerati la soluzione d'elezione per creare bandgap isotropici. I quasicristalli seguono regole matematiche precise ma non presentano la periodicità tipica dei cristalli tradizionali, una caratteristica che sembrava ideale per controllare la propagazione della luce. Tuttavia, come hanno dimostrato i ricercatori di NYU, i quasicristalli presentano un compromesso intrinseco: possono bloccare completamente la luce, ma solo da direzioni limitate, oppure indebolirla uniformemente da tutte le direzioni senza però fermarla del tutto.
La strategia adottata dal team newyorkese ha sfruttato un approccio computazionale innovativo per progettare metamateriali, ovvero strutture le cui proprietà dipendono dall'architettura piuttosto che dalla composizione chimica. Il gruppo ha sviluppato un algoritmo capace di generare strutture funzionali con disordine incorporato, rivelando una nuova forma di "disordine correlato" che si colloca tra gli estremi dell'ordine perfetto e della casualità totale. Martiniani utilizza 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". Questo nuovo pattern combina proprietà ritenute incompatibili e manifesta una funzionalità superiore a tutte le alternative ordinate, quasicristalli compresi.
L'analisi condotta dai ricercatori ha rivelato che tutti i materiali a bandgap isotropico condividono una specifica firma strutturale. Come spiega Casiulis, primo autore dello studio, "Volevamo rendere questa firma strutturale il più pronunciata possibile. Il risultato è stata una nuova classe di materiali che riconcilia caratteristiche apparentemente incompatibili". La chiave risiede nella natura ibrida dei gyromorph: l'assenza di una struttura fissa e ripetitiva conferisce loro un disordine analogo a quello dei liquidi, ma osservandoli su scala più ampia emergono pattern regolari. Questa duplice natura permette la formazione di bandgap che le onde luminose non possono penetrare da nessuna direzione, superando definitivamente il compromesso dei quasicristalli.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta si estendono ben oltre la realizzazione teorica di computer fotonici. I sistemi basati sulla luce per immagazzinare e processare informazioni potrebbero operare con un'efficienza energetica di ordini di grandezza superiore rispetto ai computer convenzionali, completando calcoli a velocità oggi impensabili. Il controllo preciso di microscopici flussi di fotoni all'interno di chip rappresenta però la condizione necessaria perché questa tecnologia diventi realtà: senza materiali capaci di prevenire la dispersione luminosa in modo efficace, i segnali si indebolirebbero rapidamente, vanificando i vantaggi della fotonica. I gyromorph forniscono esattamente la soluzione tecnica mancante per questo componente critico dell'hardware fotonico.
La ricerca apre inoltre prospettive metodologiche significative per l'ingegneria dei materiali. La capacità di progettare metamateriali con disordine controllato mediante algoritmi computazionali rappresenta un cambio di paradigma rispetto agli approcci tradizionali basati su strutture cristalline o quasi-cristalline predefinite. Il team di NYU ha dimostrato che esplorare lo spazio intermedio tra ordine e caos può produrre proprietà fisiche superiori a quelle ottenibili agli estremi. Questa strategia potrebbe essere applicata alla progettazione di materiali per altre funzioni ottiche, acustiche o elettromagnetiche, ampliando considerevolmente il repertorio delle strutture artificiali disponibili per applicazioni tecnologiche avanzate. I prossimi passi includeranno la fabbricazione sperimentale di gyromorph e la verifica diretta delle loro prestazioni in dispositivi fotonici prototipali, passaggio essenziale per trasformare questa scoperta teorica in tecnologia operativa.