新型“陀螺形体”材料展现出卓越光学性能

美国纽约大学科学家发现了一种名为“陀螺形体”的新型材料可提升光基计算机性能。该材料融合了液体和晶体两种物质的特性，展现出卓越的光学性能，在阻挡来自任意角度入射光线方面，优于所有已知结构。研究发表于新一期《物理评论快报》。

当前，科学家正致力于开发以光而非电作为动力的计算机，这类光基设备有望比传统计算机更节能且运算速度更快。然而，光基计算机仍处于发展初期，其主要挑战之一是如何在芯片上高效地重新路由微观光信号，并最大限度减少信号强度损失。这一难题本质上是材料设计问题，需要一种具备各向同性带隙特性的轻质材料，以阻挡来自各个方向的额外光线，从而保持信号强度。

图片:435752_7cd25ee6-f976-427a-9714-a9c72496eab1copy.png

60倍陀螺形体的属性图示。顶行：陀螺形的结构。左图：结构因子。右图：配对相关函数。底行：光学特性。左图：陀螺仪完全反射的偏振光束。右图：陀螺仪中的状态耗尽密度。

在探索各向同性带隙材料的过程中，科学家常借助到准晶体。准晶体的结构具有数学上的有序性，但与传统晶体有所不同，其结构不会周期性重复。研究团队此次创造的是一种超材料，其特性主要源于结构而非化学成分。然而，设计超材料的关键在于理解其结构如何产生所需的物理特性。

团队开发了一种算法，用于设计具有功能性的无序结构。在此过程中，他们意外发现了一种新型“相关无序”材料，它既非完全无序，也非完全有序，而是一种介于两者之间的状态。这种新发现的“陀螺形体”，不仅融合了此前被认为不兼容的特性，其功能表现还超越了所有有序结构，包括准晶体，所有各向同性带隙材料都共享一种特定的结构特征。

据介绍，“陀螺形体”不像晶体那样具有固定的重复结构，因而表现出类似液体的无序性。但若从较远距离观察，它又能呈现出规则的图案。正是这两种特性的协同作用，使得光波无法从任何方向穿透，从而形成理想的带隙。这一发现为开发高性能光基计算设备提供了重要的材料基础。