電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道 在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動下，全球數(shù)據(jù)量正以指數(shù)級速度增長。傳統(tǒng)電子芯片受限于電子傳輸?shù)奈锢砥款i，已難以滿足未來計算對速度與能效的嚴苛需求。在此背景下，以光子為信息載體的光子芯片憑借其超高速、低功耗的天然優(yōu)勢，被視為下一代計算技術(shù)的核心方向。

然而，光子芯片的規(guī)?；瘧妹媾R關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：在微型化芯片上實現(xiàn)光信號的精確操控，需構(gòu)建穩(wěn)定的光路環(huán)境。這要求材料具備“各向同性帶隙”特性——即能從所有方向阻擋雜散光，形成完整的光信號禁區(qū)。傳統(tǒng)解決方案依賴準晶體材料，但其結(jié)構(gòu)存在根本性缺陷：要么僅能部分方向阻擋光，要么僅能削弱光強而無法徹底阻斷。這種性能取舍導致光信號仍可能從結(jié)構(gòu)縫隙泄露，難以滿足高集成度芯片對穩(wěn)定性和能效的嚴苛要求。


紐約大學研究團隊在《物理評論快報》發(fā)表的突破性成果，為這一難題提供了創(chuàng)新解決方案。他們研發(fā)的“陀螺形體材料（Gyromorphs）”屬于超材料范疇，其特性由內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)決定，而非傳統(tǒng)材料的化學成分。這種“由形狀定義功能”的工程材料，成功整合了液體與晶體的雙重特性。

陀螺形體材料的核心創(chuàng)新在于其“關(guān)聯(lián)無序（Correlated Disorder）”結(jié)構(gòu)。在微觀尺度上，材料單元呈現(xiàn)液體般的無序排列；但在宏觀尺度上，這些無序單元卻形成長程有序的空間分布。研究團隊形象地將其比作森林中的樹木：單棵樹木的生長位置隨機，但整體保持穩(wěn)定間距。這種“局部隨機、整體有序”的獨特平衡，使其能夠構(gòu)筑傳統(tǒng)材料難以實現(xiàn)的全方向光隔離帶隙。

通過計算機模擬與實驗驗證，研究團隊證實陀螺形體材料在光隔離性能上的顯著優(yōu)勢：
全方向光阻隔：突破準晶體“部分阻擋”或“單向削弱”的局限，實現(xiàn)360度無死角的光信號屏蔽。
制造容錯性：在結(jié)構(gòu)存在輕微位移、單元缺失等生產(chǎn)瑕疵時，光阻隔能力幾乎不受影響，顯著降低工業(yè)化門檻。
能效提升：配合光子芯片在納秒級完成深度學習推理的潛力，可為光電混合集成芯片提供穩(wěn)定的光路環(huán)境。

在AI加速領(lǐng)域，陀螺形體材料使光子處理器能夠可靠集成于大規(guī)模光電混合芯片中。其全方向光隔離特性可確保納秒級深度學習推理的穩(wěn)定性，為大型數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)提供商提供顯著的能效優(yōu)勢。微軟實驗室的模擬數(shù)據(jù)顯示，采用該材料的光子計算機在特定任務(wù)中能耗降低達40%。

在無線通信領(lǐng)域，該材料可保障光子處理器在高速信號處理中的穩(wěn)定性，抵御噪聲干擾。對于自動駕駛、工業(yè)機器人等需要毫秒級決策的設(shè)備，其光隔離特性使光子芯片能在復雜電磁環(huán)境中穩(wěn)定運行。研究團隊預測，搭載陀螺形體材料的6G基站，信號傳輸效率將提升3倍以上。

基于其獨特的光學性能，該材料還可用于制造高性能光隔離器、反射層和新型波導。在光通信設(shè)備領(lǐng)域，其“關(guān)聯(lián)無序”結(jié)構(gòu)為波導設(shè)計提供了全新范式，有望突破傳統(tǒng)器件的帶寬限制。