突破光子芯片瓶颈！新材料实现光隔离，兼具液体与晶体双重特性

为了应对日益增长的数据处理需求，以光子替代电子作为信息载体的光子计算，一直被视为下一代计算技术的重要方向。

然而，这项技术的发展仍面临诸多挑战，其中一个关键的技术瓶颈，便是在微型化的芯片上实现对光信号的精确、高效操控，同时避免它在结构缝隙间泄露或衰减。

要做到这一点，芯片需要一种特殊材料来构建稳定的光路环境——一种能够从任何方向阻挡杂散光进入的轻质结构，即各向同性带隙材料（Isotropic Bandgap Material）。它的作用可以理解为在芯片内部架起一堵“光墙”，为特定波长的光建立一个完整、封闭的禁区，让光子只能沿既定通道传播，而无法从侧面或背后绕过。

在过去的探索中，科学家们常常依赖准晶体（quasicrystals）来实现这一设想。它们具备长期有序却不具周期性的特殊结构，在光学上表现出独特优势。然而，纽约大学（NYU）的研究团队在深入分析后发现，准晶体在工程应用中存在难以绕过的结构限制：它们要么只能在部分方向上完全阻挡光，要么能够从各个方向削弱光强，但无法做到真正意义上的全方向隔离。这种性能上的取舍，使得光仍有可能从某些角度泄露或衰减，难以满足光子芯片在高集成度环境中对稳定性和能效的严格要求。

图 | 准晶体结构示意图（来源：Physics）

不过，就在近日，NYU 的研究团队找到了可能能够弥补这一缺陷的新答案。

根据 NYU 团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表的最新研究，他们提出了一种具有潜在产业价值的材料方案——“Gyromorphs”（陀螺形体材料）。这种材料属于超材料（Metamaterial），其特性并非由化学成分决定，而是完全取决于内部结构的几何设计，是一种“由形状定义功能”的工程材料。

Gyromorphs 最大的亮点，在于其成功整合了两种原本被认为相互排斥的结构特征：液体状态中无规则的随机性，以及晶体结构中远距离的有序关联。最终形成一种被称为“关联无序”（Correlated Disorder）的全新形态。

简单来说，它既不像晶体那样整齐排列，也不像液体那样完全没有形态，而是兼具二者特性。它像是一片看似随意生长、却保持着一定间距的森林：树木之间没有固定的周期，但整体结构仍呈现稳定的空间秩序。正是因为这种“局部随机、整体有序”的独特平衡，Gyromorphs 能够展现出传统材料难以实现的光学性能。从而构筑一道光波无法从任何方向穿透的带隙。

（来源：NYU）

除此之外，Gyromorphs 的一个关键优势，是它在制造环节出现误差时依然能保持稳定表现。研究团队模拟了芯片生产中常见的瑕疵，比如结构有轻微位移、部分区域缺失、或单元数量有增减，结果发现它的光阻隔能力几乎不受影响。这意味着，它不像传统材料那样需要“完美排列”才能工作，更适合现实中的大规模生产，也更容易被纳入现有的芯片制造流程。

如果技术成熟，这项材料将拥有巨大的潜在应用价值。

首先，在 AI 加速领域，光子芯片在纳秒（nanoseconds）甚至皮秒（picoseconds）级别完成深度学习推理的潜力，配合 Gyromorphs 提供的完美光隔离，将使得光子处理器可以可靠、稳定地集成于大规模的光电混合集成芯片中。这将为大型数据中心和云服务提供商提供了一条具有显著能效优势的硬件升级路径，推动光子计算机迈向主流市场。

图 | 微软实验室的模拟光子计算机（来源： Microsoft）

其次，在无线通信和未来 6G 网络中，它能帮助保证光子处理器在处理高速信号时保持足够稳定，不被噪声干扰。在自动驾驶、工业机器人或需要毫秒级决策的设备中，它能让光子芯片更适合在复杂环境下运行。

此外，它还可以用于制造高性能光隔离器、反射层或新型波导，有可能为光通信设备带来新的设计方式。

当然，从计算机模拟走向实验室样品，再到最终的工业化生产，仍有一段路要走。目前，该团队正与瑞士的实验物理学家合作，探索利用 3D 打印技术来制造 Gyromorphs。研究人员预计，在微波或红外波段制造这种材料应相对直接，但在可见光波段，由于对结构精度的要求达到纳米级别，制造成本与技术难度将是更大的挑战。

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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