陀螺形体材料，突破光子芯片瓶颈

电子发烧友网综合报道 在人工智能、物联网与大数据技术驱动下，全球数据量正以指数级速度增长。传统电子芯片受限于电子传输的物理瓶颈，已难以满足未来计算对速度与能效的严苛需求。在此背景下，以光子为信息载体的光子芯片凭借其超高速、低功耗的天然优势，被视为下一代计算技术的核心方向。
 
然而，光子芯片的规模化应用面临关键技术瓶颈：在微型化芯片上实现光信号的精确操控，需构建稳定的光路环境。这要求材料具备“各向同性带隙”特性——即能从所有方向阻挡杂散光，形成完整的光信号禁区。传统解决方案依赖准晶体材料，但其结构存在根本性缺陷：要么仅能部分方向阻挡光，要么仅能削弱光强而无法彻底阻断。这种性能取舍导致光信号仍可能从结构缝隙泄露，难以满足高集成度芯片对稳定性和能效的严苛要求。

图：准晶体结构示意图

 
纽约大学研究团队在《物理评论快报》发表的突破性成果，为这一难题提供了创新解决方案。他们研发的“陀螺形体材料（Gyromorphs）”属于超材料范畴，其特性由内部几何结构决定，而非传统材料的化学成分。这种“由形状定义功能”的工程材料，成功整合了液体与晶体的双重特性。
 
陀螺形体材料的核心创新在于其“关联无序（Correlated Disorder）”结构。在微观尺度上，材料单元呈现液体般的无序排列；但在宏观尺度上，这些无序单元却形成长程有序的空间分布。研究团队形象地将其比作森林中的树木：单棵树木的生长位置随机，但整体保持稳定间距。这种“局部随机、整体有序”的独特平衡，使其能够构筑传统材料难以实现的全方向光隔离带隙。
 
通过计算机模拟与实验验证，研究团队证实陀螺形体材料在光隔离性能上的显著优势：
全方向光阻隔：突破准晶体“部分阻挡”或“单向削弱”的局限，实现360度无死角的光信号屏蔽。
制造容错性：在结构存在轻微位移、单元缺失等生产瑕疵时，光阻隔能力几乎不受影响，显著降低工业化门槛。
能效提升：配合光子芯片在纳秒级完成深度学习推理的潜力，可为光电混合集成芯片提供稳定的光路环境。
 
在AI加速领域，陀螺形体材料使光子处理器能够可靠集成于大规模光电混合芯片中。其全方向光隔离特性可确保纳秒级深度学习推理的稳定性，为大型数据中心和云服务提供商提供显著的能效优势。微软实验室的模拟数据显示，采用该材料的光子计算机在特定任务中能耗降低达40%。
 
在无线通信领域，该材料可保障光子处理器在高速信号处理中的稳定性，抵御噪声干扰。对于自动驾驶、工业机器人等需要毫秒级决策的设备，其光隔离特性使光子芯片能在复杂电磁环境中稳定运行。研究团队预测，搭载陀螺形体材料的6G基站，信号传输效率将提升3倍以上。
 
基于其独特的光学性能，该材料还可用于制造高性能光隔离器、反射层和新型波导。在光通信设备领域，其“关联无序”结构为波导设计提供了全新范式，有望突破传统器件的带宽限制。