A computação movida a luz ainda está em uma fase inicial, e um dos principais obstáculos técnicos envolve o controle de pequenos feixes de luz que viajam através de um chip. Redirecionar esses sinais microscópicos sem enfraquecê-los requer materiais cuidadosamente projetados. Para manter os sinais fortes, o hardware deve incluir uma substância leve que impeça a luz indesejada de entrar de qualquer direção. Esse tipo de material é conhecido como “material de banda isotrópica”.

Descoberta dos Giromorfos na NYU

Cientistas da Universidade de Nova York identificaram um novo material chamado “giromorfos” que atende a esse desafio de forma mais eficaz do que qualquer outra estrutura conhecida. Os giromorfos combinam características normalmente associadas a líquidos e cristais, mas superam ambos em sua capacidade de bloquear luz que vem de todos os ângulos. A descoberta, reportada na Physical Review Letters, introduz uma nova estratégia para sintonizar o comportamento óptico e pode ajudar a avançar o desenvolvimento de computadores fotônicos.

“Os giromorfos são diferentes de qualquer estrutura conhecida, uma vez que sua composição única gera melhores materiais de banda isotrópica do que é possível com as abordagens atuais,” diz Stefano Martiniani, professor assistente de física, química, matemática e ciências neurais, e autor sênior do estudo.

Por Que os Materiais Existentes Não São Suficientes

Há décadas, pesquisadores têm se voltado para os quasicristais ao projetar materiais de banda isotrópica. Essas estruturas, propostas pela primeira vez pelos físicos Paul Steinhardt e Dov Levine na década de 1980 e posteriormente observadas por Dan Schechtman, seguem regras matemáticas, mas não se repetem como cristais tradicionais.

Apesar de sua promessa, os quasicristais possuem um trade-off que a equipe da NYU destacou. Eles podem bloquear completamente a luz, mas apenas de direções limitadas. Alternativamente, eles podem enfraquecer a luz de todas as direções, mas falham em bloqueá-la completamente. Essa limitação levou os cientistas a buscar alternativas que possam bloquear a luz que degrada o sinal de forma mais abrangente.

Engenharia de Novos Metamateriais

No estudo publicado na Physical Review Letters, os pesquisadores da NYU criaram “metamateriais”, que são estruturas projetadas cujas propriedades dependem da sua arquitetura em vez da sua composição química. Um dos principais desafios no design desses materiais é entender como seu arranjo leva a comportamentos físicos desejados.

Para superar isso, a equipe desenvolveu um algoritmo capaz de produzir estruturas funcionais com desordem embutida. Seu trabalho revelou uma nova forma de “desordem correlacionada” que fica entre os extremos de total ordem e total aleatoriedade.

“Pense em árvores em uma floresta — elas crescem em posições aleatórias, mas não completamente aleatórias, porque geralmente estão a uma certa distância umas das outras,” explica Martiniani. “Esse novo padrão, os giromorfos, combina propriedades que acreditávamos serem incompatíveis e exibe uma função que supera todas as alternativas ordenadas, incluindo quasicristais.”

Como os Giromorfos Atingem suas Capacidades Únicas

Durante sua análise, os cientistas observaram que todo material de banda isotrópica exibia uma assinatura estrutural compartilhada.

“Queríamos tornar essa assinatura estrutural o mais pronunciada possível,” diz Mathias Casiulis, um pós-doutorando no Departamento de Física da NYU e autor principal do artigo. “O resultado foi uma nova classe de materiais — os giromorfos — que reconciliam características aparentemente incompatíveis.

“Isso ocorre porque os giromorfos não têm uma estrutura fixa e repetida como um cristal, o que lhes confere uma desordem semelhante a um líquido, mas, ao mesmo tempo, se você olhar para eles de longe, eles formam padrões regulares. Essas propriedades trabalham juntas para criar bandgaps que as ondas de luz não conseguem penetrar de nenhuma direção.”

A pesquisa também incluiu Aaron Shih, um estudante de graduação da NYU, e recebeu apoio do Simons Center for Computational Physical Chemistry (839534) e do Air Force Office of Scientific Research (FA9550-25-1-0359).