ابتكر الباحثون الجيرومورف، وهي مادة جديدة تتحكم في الضوء بشكل أكثر فعالية من أي بنية مستخدمة حتى الآن في الرقائق الضوئية.

تجمع هذه الأنماط الهجينة بين النظام والفوضى بطريقة تمنع دخول الضوء من أي زاوية. يحل هذا الاكتشاف القيود الرئيسية الموجودة في أشباه البلورات وغيرها من المواد الهندسية. وقد يفتح الباب أمام أجهزة كمبيوتر أسرع وأكثر كفاءة تعمل بالطاقة الضوئية.

أجهزة الكمبيوتر المعتمدة على الضوء والحاجة إلى مواد أفضل

يعمل الباحثون على أجهزة كمبيوتر تستخدم الضوء، أو الفوتونات، بدلاً من التيارات الكهربائية لتخزين المعلومات وإجراء العمليات الحسابية. تتمتع الآلات المبنية على الضوء بالقدرة على العمل بشكل أسرع واستخدام طاقة أقل بكثير من الأجهزة الإلكترونية الحالية.

إحدى أكبر العقبات التي تعترض بناء هذه الأنظمة – والتي لا تزال تقنية ناشئة – هي صعوبة إعادة توجيه الإشارات الضوئية الصغيرة للغاية داخل الشريحة دون تقليل قوتها. ويتطلب حل هذه المشكلة أساليب جديدة لتصميم المواد. ويجب أن تشتمل هذه الأجهزة على مادة خفيفة الوزن قادرة على حجب الضوء غير المرغوب فيه الذي يصل من كل اتجاه، وهي القدرة التي توفرها “مادة ذات فجوة نطاقية متناحية”.

فريق جامعة نيويورك يكتشف الجيرومورف

العلماء في جامعة نيويورك لقد حددوا الآن مادة تسمى “الجيرومورف” تلبي هذا المطلب بشكل أكثر فعالية من أي بنية تمت دراستها حتى الآن. تجمع الجيرومورفس بين خصائص كل من السوائل والبلورات وتتفوق على جميع المواد المعروفة في منع دخول الضوء من أي زاوية. النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في رسائل المراجعة البدنيةيقدم استراتيجية جديدة لضبط السلوك البصري ويمكن أن يساعد في دفع الحوسبة المستندة إلى الضوء إلى الأمام.

يقول ستيفانو مارتينياني، الأستاذ المساعد في الفيزياء والكيمياء والرياضيات والعلوم العصبية، والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: “إن الجيرومورف لا يشبه أي بنية معروفة، حيث أن تركيبتها الفريدة تؤدي إلى مواد ذات فجوة نطاقية أفضل مما هو ممكن مع الأساليب الحالية”.

لماذا تقصر أشباه البلورات؟

عند تصميم مواد ذات فجوة نطاقية متناحية، غالبًا ما يستخدم الباحثون أشباه البلورات. تم وصف هذه الهياكل لأول مرة من قبل الفيزيائيين بول ستينهاردت ودوف ليفين في الثمانينيات، وتم مراقبتها تجريبيًا بواسطة دان شيختمان، الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2011. تتبع أشباه البلورات قواعد رياضية، ولكن على عكس البلورات العادية، فإن أنماطها لا تتكرر أبدًا.

على الرغم من بنيتها الفريدة، فإن أشباه البلورات تأتي مع قيود أبرزها فريق جامعة نيويورك. يمكنهم إما حجب الضوء تمامًا، ولكن فقط من مجموعة صغيرة من الاتجاهات، أو إضعاف الضوء من جميع الاتجاهات دون منعه تمامًا. وقد دفعت هذه المقايضة العلماء إلى البحث عن بدائل أفضل يمكن أن تمنع الضوء بشكل موثوق من استنزاف قوة الإشارة.

هندسة المواد الفوقية الجديدة

في رسائل المراجعة البدنية الدراسة، أنشأ الباحثون في جامعة نيويورك “المواد الفوقية“الهياكل الهندسية التي يعتمد سلوكها على هندستها المعمارية وليس على الطبيعة الكيميائية لمكوناتها. ويكمن التحدي في تطوير المواد الخارقة في فهم كيف ينتج ترتيبها تأثيرات فيزيائية محددة.

ولإيجاد حلول عملية، صمم الفريق خوارزمية تولد هياكل مضطربة ولكنها وظيفية. ومن خلال هذا الجهد، اكتشفوا شكلاً جديدًا من “الاضطراب المترابط”، الذي يصف المواد التي تقع بين أنظمة مرتبة بالكامل وعشوائية بالكامل.

يوضح مارتينياني: “فكر في الأشجار في الغابة، فهي تنمو في مواقع عشوائية، ولكنها ليست عشوائية تمامًا لأنها عادة ما تكون على مسافة معينة من بعضها البعض”. “هذا النمط الجديد، الجيرومورف، يجمع بين الخصائص التي اعتقدنا أنها غير متوافقة ويعرض وظيفة تتفوق على جميع البدائل المرتبة، بما في ذلك أشباه البلورات.”

كيف تحقق الجيرومورف حجبًا كاملاً للضوء

خلال تحليلهم، وجد الباحثون أن كل مادة ذات فجوة نطاقية متناحية تشترك في توقيع هيكلي محدد.

يضيف ماثياس كاسيوليس، زميل ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة نيويورك والمؤلف الرئيسي للدراسة: “أردنا أن نجعل هذا التوقيع البنيوي واضحًا قدر الإمكان”. “وكانت النتيجة ظهور فئة جديدة من المواد – الجيرومورف – التي تعمل على التوفيق بين الميزات التي تبدو غير متوافقة.

“وهذا لأن الجيرومورف ليس لديه بنية ثابتة ومتكررة مثل البلورة، مما يمنحها اضطرابًا يشبه السائل، ولكن في الوقت نفسه، إذا نظرت إليها من مسافة بعيدة فإنها تشكل أنماطًا منتظمة. تعمل هذه الخصائص معًا لإنشاء فجوات نطاقية لا تستطيع الموجات الضوئية اختراقها من أي اتجاه.”

المرجع: “الأشكال الجيروسكوبية: فئة جديدة من المواد المضطربة وظيفيًا” بقلم ماتياس كاسيوليس وآرون شيه وستيفانو مارتينياني، 6 نوفمبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/gqrx-7mn2

شمل البحث أيضًا آرون شيه، وهو طالب دراسات عليا في جامعة نيويورك، وتم دعمه جزئيًا من قبل مركز سيمونز للكيمياء الفيزيائية الحاسوبية (839534) ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي (FA9550-25-1-0359).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.