Yeni bir ışık kontrol yöntemi için daha hızlı gelecek bilgisayarlar

Bilim adamları, fotanik bilgisayarlar için kapsamlı ışık engelleme işlevselliği sunabilen yeni bir metamalzeme türü oluşturdular.

Metamalzeme, temel bileşenlerinin kimyasal bileşiminden değil, dikkatlice tasarlanmış iç yapısından kaynaklanan özelliklere sahip bir mühendislik malzemesidir. Bu nedenle, bu malzemeler doğal olarak oluşan malzemelerde bulunmayan olağanüstü özellikler sergileyebilir.

Bu malzemeler genellikle metaller ve plastikler gibi多lu malzemelerden oluşur ve tekrarlayan, alt dalga boyu yapılarındadır. Biçim, boyut, geometri, yön ve düzen, onlara özellikler kazandırır ve elektromanyetik, akustik veya sismik dalgaları emerek, bükerek, güçlendirerek veya engelleyerek, geleneksel malzemelerle mümkün olmayan faydalar elde edilmesini sağlar.

New York Üniversitesi’ndeki bilim adamları tarafından mühendislik yapılan yeni metamalzeme¹, sıvılar ve kristallerle genellikle ilişkili özelliklere sahiptir, ancak her ikisini de tüm yönlerden gelen gelen ışığı engelleme yeteneğinde aşar.

Adı gyromorphs olan yeni bir malzeme sınıfı, likit benzeri rastgelelik ile büyük ölçekli yapıları birleştirir ve ışığı her yönden engeller. Çalışma şöyle diyor:

“2B ve 3B’de spektral optimizasyon yöntemleri ile gyromorphları üretiyoruz ve güçlü diskret rotasyonel düzeni gösterdiklerini, ancak uzun menzilli translasyonel düzeni olmadıklarını ve kısa menzilli rotasyonel izotropiyi koruduklarını doğruluyoruz.”

Araştırmacılar, bu yenilikle, quasicrystal tabanlı tasarımların uzun süredir bilim adamlarını zorlayan sınırlamaları çözdüler. Ayrıca fotanik bilgisayarların gelişimine de katkıda bulunabilir.

Fotanik Bilgisayarların Geleceği için Quasicrystal’den Gyromorphs’a

Fotanik bilgisayarlar, elektrik akımları yerine fotonları kullanarak hesaplamalar yapar. Bu yeni nesil bilgisayarlar, bir kez gerçekleştirildiğinde, geleneksel makinelerden çok daha verimli ve hızlı olabilir.

Veri işlemini ışık hızında gerçekleştirebilen bu teknoloji, yüksek performanslı görevler gibi yapay zeka için umut vaat ediyor, ancak teknoloji şu anda miniaturizasyon ve maliyet konusunda zorluklarla karşı karşıya.

Alanda yapılan ilerlemeler, yüksek performanslı sunuculara entegre edilmek üzere fonksiyonel fotanik çiplerin geliştirilmesine yol açtı. Ancak ışık tabanlı hesaplama hala erken bir aşamada ve araştırmacılar, bir çip boyunca seyahat eden küçük optik sinyalleri kontrol etmekte zorlanıyor.

Bu sinyalleri güçlü tutmak için, sinyallerin gücünü zayıflatmadan bunları başarılı bir şekilde yönlendirebilen özel, hafif bir malzeme gereklidir. Bu sinyalleri güçlü tutmak için, donanımında her yönden gelen ışığın girişini engelleyen özel bir malzeme gereklidir.

Bunu başarmak için kritik bir bileşen, izotropik bant aralığı malzemesini entegre etmektir. Bu malzeme, bant aralığının içinde olan frekanslarda, her yönden gelen ışığı veya diğer dalgaları engelleyebilir. Bu tür malzeme, düzensiz ancak hiper birleştirilmiş olabilir, yani uzun menzilli translasyonel düzeni olmasa da, belirli, kontrol edilen bir tür rastgelelik gösterir.

İzotropik bant aralığı malzemelerini mühendislik yaparken, araştırmacılar uzun süredir kuazikristallere odaklandı.

Bu yapılar, matematiksel kurallara uyuyor ancak geleneksel kristaller gibi tekrarlamıyor, ilk olarak bilim adamı Dan Shechtman tarafından 1980’lerin başlarında keşfedildi ve 2011’de Kimya Nobel Ödülü’nü kazandı.

Keşif, alüminyum ve manganez üzerine araştırma yapılırken yapıldı. İki metal eritilip bir alaşım oluşturmak için hızlı bir şekilde soğutulduğunda, elektron mikroskobu altında on katlı simetri gösterdi, bu özellik metalik kristal yapılarında görülmez.

Kuazikristaller, elmas gibi kristal yapıların özelliklerine sahiptir, yani düzenlenmiş desenlere sahiptir ve ayrıca cam gibi amorf yapıların özelliklerine sahiptir, yani bu desenler tekrarlanmaz. Benzersiz özellikleri, kuazikristallerin hem dayanıklı hem de kırılgan olmasını sağlar.

Michigan Üniversitesi’nden bu yıl yapılan bir çalışmada, araştırmacılar, kuazikristallerin temel olarak稳 định malzemeler olduğunu buldu², düzensiz katılarla benzerliklerine rağmen.

“Malzemelerin istenen özelliklere sahip olmasını istiyorsak, atomları belirli yapılara nasıl düzenleyeceğimizi bilmemiz gerekir” dedi çalışma’nın ortak yazarı, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği’nden Dow Erken Kariyer Yardımcı Profesörü Wenhao Sun. “Kuazikristaller, malzemelerin nasıl oluştuğuna ve neden belirli malzemelerin oluşabildiğine ilişkin anlayışımızı yeniden değerlendirmemizi sağladı.”

Kuazikristallerin neden var olduğuna veya nasıl oluştuğuna ilişkin cevapları vermek için, araştırmacılar önce neden stabil olduklarını anlamak zorundaydı. Bunu yapmak için, kuazikristallerin entalpi ile mi yoksa entropi ile mi stabilize edildiğini belirlemek zorunda kaldılar, bu nedenle araştırmacılar, bir kuazikristal simülasyon bloğundan daha küçük nanoparçacıklar aldıklarında, her bir nanoparçacığın toplam enerjisini hesapladılar.

Araştırmacılar, iyi bilinen kuazikristallerin, skandiyum ve çinko alaşımının ve itriyum ve kadmiyum alaşımının her ikisinin de entalpi ile stabilize edildiğini keşfetti.

Hesap için, ekip kuazikristallerin kuantum-mekanik simülasyonlarını kullandı ve hesaplanabilirlik tıkanıklığını çözmek için, yalnızca komşu işlemcilerin birbirleriyle iletişim kurmasını sağladı, bu da algoritmanın 100 kat daha hızlı olmasını sağladı.

“Şimdi cam ve amorf malzemeleri, farklı kristaller arasındaki arayüzleri ve kuantum hesaplaması için gereken kristal hatalarını simüle edebiliriz.”

– Michigan Üniversitesi’nden Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Vikram Gavini

Diğer bir araştırmada, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) bilim adamları, bir alüminyum-zirkonyum alaşımında kuazikristaller buldu³, bu da 3B metal baskı altında oluştu.

Zirkonyumun alüminyum tozuna eklenmesi, yüksek güçlü alüminyum alaşımlarının basılmasını sağlar, ancak NIST ekibi, bu metalin neden bu kadar güçlü olduğunu anlamak istedi, böylece askeri uçak parçaları gibi kritik bileşenlerde kullanılabilir.

Ve kuazikristallerin buna neden olduğunu keşfetti. Alüminyum kristallerinin düzenli desenini bozmak, alaşıma güç kazandırır. Doğru açıyla bakıldığında, ekibe “çok nadir” beş katlı rotasyonel simetri ve ayrıca iki katlı ve üç katlı simetri göründü.

Bu, NIST fizikçisi ve ortak yazar Fan Zhang’e göre “alaşım tasarımı için yeni bir yaklaşım açacak” ve “kuazikristallerin alüminyumu daha da güçlü hale getirebileceğini” ekledi.

Gyromorph Devrimi: İzotropik Bant Aralığı Malzemeleri

Kuazikristaller çok fazla vaat ediyor. Hatta her yönden ışığı tamamen engelleyebilir. Ancak yalnızca sınırlı yönlerden. Ve tüm yönlerden ışığı zayıflatabilir, ancak tamamen durduramaz.

Bu sınırlamayı aşmak için, bilim adamları, sinyal bozucu ışığı daha etkili bir şekilde engelleyebilen alternatifler aradı. Bu, ışığın her yönden girişini daha etkili bir şekilde engelleyen malzemelerin constructionuna yol açtı. Çalışmanın kıdemli yazarı, Fizik, Kimya, Matematik ve Nöral Bilim Yardımcı Profesörü Stefano Martiniani’ye göre:

“Gyromorphlar, benzersiz yapısı nedeniyle, bilinen herhangi bir yapıdan daha iyi izotropik bant aralığı malzemelerine yol açar.”

Ancak, mimarilerine bağlı özelliklere sahip bu malzemeleri mühendislik yapmada büyük bir engel, istenen fiziksel özelliklere ulaşmak için gereken düzenlemedir.

Fiziksel İnceleme Mektupları’nda yayınlanan New York Üniversitesi araştırmacıları, optik davranışını ayarlamak için yeni bir strateji⁴ ayrıntılandırıyor.

Ekibin geliştirdiği algoritma, dahili düzensizlik ile işlevsel yapılar üretebiliyor. Takım tarafından ortaya çıkarılan yeni “korelasyonlu düzensizlik” formu, tamamen düzenli ve tamamen rastgele olan iki uç arasında oturuyor.

“Ağaçların bir ormanda büyüdüğünü düşünün – rastgele pozisyonlarda büyürler, ancak tamamen rastgele değil, çünkü genellikle birbirlerinden belirli bir mesafededirler. Bu yeni desen, gyromorphs, inanıldığı gibi uyumsuz olan özellikleri birleştirir ve tüm düzenli alternatiflerin, kuazikristaller de dahil olmak üzere, üzerinde çalışan bir işlev gösterir.”

– Martiniani

Araştırmaları sırasında, ekip tüm izotropik bant aralığı malzemelerinin aynı yapısal imzayı gösterdiğini gözlemledi. Bu nedenle, bunu “mümkün olduğunca belirgin” hale getirmeye odaklandılar, bu da gyromorphs’un creationuna yol açtı.

Yeni malzeme sınıfı, Fizik Bölümü’nden doktora sonrası araştırma görevlisi Mathias Casiulis, “görünüşte uyumsuz olan özellikleri uzlaştırır” çünkü kristal benzeri, sabit, tekrarlayan bir yapıya sahip değiller, bu da onlara sıvı benzeri bir düzensizlik kazandırır. Aynı zamanda, uzaklıktan bakıldığında, düzenli desenler oluştururlar.

“Bu özellikler, ışığın her yönden giremediği bant aralıkları oluşturmak için birlikte çalışır.”

– Casiulis

Ekibin ayrıca, tek bir yapıda birden fazla bant aralığının oluşumunu sağlamak için çeşitli uzunluk ölçeklerinde birden fazla rotasyonel simetriye sahip “polygyromorphs”u tanıttı, bu da optik özellikler üzerinde ince kontrol sağlamaya olanak tanır.

… (rest of the content remains the same, as it does not require translation)