突破光子芯片瓶頸！新材料實現光隔離，兼具液體與晶體雙重特性

為了應對日益增長的數據處理需求，以光子替代電子作為信息載體的光子計算，一直被視為下一代計算技術的重要方向。

然而，這項技術的發展仍面臨諸多挑戰，其中一個關鍵的技術瓶頸，便是在微型化的芯片上實現對光信號的精確、高效操控，同時避免它在結構縫隙間泄露或衰減。

要做到這一點，芯片需要一種特殊材料來構建穩定的光路環境——一種能夠從任何方向阻擋雜散光進入的輕質結構，即各向同性帶隙材料（Isotropic Bandgap Material）。它的作用可以理解為在芯片內部架起一堵“光墻”，為特定波長的光建立一個完整、封閉的禁區，讓光子只能沿既定通道傳播，而無法從側面或背后繞過。

在過去的探索中，科學家們常常依賴準晶體（quasicrystals）來實現這一設想。它們具備長期有序卻不具周期性的特殊結構，在光學上表現出獨特優勢。然而，紐約大學（NYU）的研究團隊在深入分析后發現，準晶體在工程應用中存在難以繞過的結構限制：它們要么只能在部分方向上完全阻擋光，要么能夠從各個方向削弱光強，但無法做到真正意義上的全方向隔離。這種性能上的取舍，使得光仍有可能從某些角度泄露或衰減，難以滿足光子芯片在高集成度環境中對穩定性和能效的嚴格要求。

圖 | 準晶體結構示意圖（來源：Physics）

不過，就在近日，NYU 的研究團隊找到了可能能夠彌補這一缺陷的新答案。

根據 NYU 團隊在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表的最新研究，他們提出了一種具有潛在產業價值的材料方案——“Gyromorphs”（陀螺形體材料）。這種材料屬于超材料（Metamaterial），其特性并非由化學成分決定，而是完全取決于內部結構的幾何設計，是一種“由形狀定義功能”的工程材料。

Gyromorphs 最大的亮點，在于其成功整合了兩種原本被認為相互排斥的結構特征：液體狀態中無規則的隨機性，以及晶體結構中遠距離的有序關聯。最終形成一種被稱為“關聯無序”（Correlated Disorder）的全新形態。

簡單來說，它既不像晶體那樣整齊排列，也不像液體那樣完全沒有形態，而是兼具二者特性。它像是一片看似隨意生長、卻保持著一定間距的森林：樹木之間沒有固定的周期，但整體結構仍呈現穩定的空間秩序。正是因為這種“局部隨機、整體有序”的獨特平衡，Gyromorphs 能夠展現出傳統材料難以實現的光學性能。從而構筑一道光波無法從任何方向穿透的帶隙。

（來源：NYU）

除此之外，Gyromorphs 的一個關鍵優勢，是它在制造環節出現誤差時依然能保持穩定表現。研究團隊模擬了芯片生產中常見的瑕疵，比如結構有輕微位移、部分區域缺失、或單元數量有增減，結果發現它的光阻隔能力幾乎不受影響。這意味著，它不像傳統材料那樣需要“完美排列”才能工作，更適合現實中的大規模生產，也更容易被納入現有的芯片制造流程。

如果技術成熟，這項材料將擁有巨大的潛在應用價值。

首先，在 AI 加速領域，光子芯片在納秒（nanoseconds）甚至皮秒（picoseconds）級別完成深度學習推理的潛力，配合 Gyromorphs 提供的完美光隔離，將使得光子處理器可以可靠、穩定地集成于大規模的光電混合集成芯片中。這將為大型數據中心和云服務提供商提供了一條具有顯著能效優勢的硬件升級路徑，推動光子計算機邁向主流市場。

圖 | 微軟實驗室的模擬光子計算機（來源： Microsoft）

其次，在無線通信和未來 6G 網絡中，它能幫助保證光子處理器在處理高速信號時保持足夠穩定，不被噪聲干擾。在自動駕駛、工業機器人或需要毫秒級決策的設備中，它能讓光子芯片更適合在復雜環境下運行。

此外，它還可以用于制造高性能光隔離器、反射層或新型波導，有可能為光通信設備帶來新的設計方式。

當然，從計算機模擬走向實驗室樣品，再到最終的工業化生產，仍有一段路要走。目前，該團隊正與瑞士的實驗物理學家合作，探索利用 3D 打印技術來制造 Gyromorphs。研究人員預計，在微波或紅外波段制造這種材料應相對直接，但在可見光波段，由于對結構精度的要求達到納米級別，制造成本與技術難度將是更大的挑戰。

1.https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251113071609.htm#

2.https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2025/november/scientists-discover-breakthrough-materials-to-enhance-light-base.html

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