كيف تعمل الأسطح الميتاسيرفسية الكيرالية على تحويل ترميز البيانات

ما هي الكيرالية؟ استكشاف العلم الكامن وراء التناظر

في الطبيعة، يُعدّ التناظر سمةً أساسيةً للعديد من الأشياء، بما في ذلك مكونات الحمض النووي (DNA) والضوء نفسه. من الممكن أن يختلف جزيئان متطابقان تقريبًا، ليس في تركيبهما أو شكلهما، بل في اتجاههما، وهو مفهوم يُسمى "التماثل الكيرالي".

يمكن تفسير الكيرالية في أبسط صورها باعتبارها السبب وراء اختلاف يدنا اليسرى عن يدنا اليمنى، على الرغم من أن كلتا اليدين متطابقتان في الشكل والبنية والوظيفة.

تلعب الكيرالية دورًا أساسيًا في علم الأحياء، حيث اختارت الانتقاء الطبيعي جزيئات الحمض النووي "اليمنى" حصريًا، والسكر، والأحماض الأمينية (المكون الأساسي للبروتينات).

يمكن أن يحدث نفس النوع من الظاهرة مع الضوء، والذي يمكن استقطابه نحو اليسار أو اليمين، مما يؤدي إلى تغيير اتجاه مجاله الكهربائي.

عند تعريض جزيء كيرالي للضوء المستقطب، يختلف التفاعل اعتمادًا على اتجاه استقطاب الضوء.

هذه ظاهرة معروفة في الفيزياء، لكنها كانت حتى الآن ضعيفة جدًا بحيث لا تُطبق عمليًا. ربما كان هذا ليتغير بفضل عمل باحثين في المدرسة الاتحادية للفنون التطبيقية في لوزان (EPFL - سويسرا)، والجامعة الوطنية الأسترالية، وجامعة جنوب أستراليا.

وقد نشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications¹، تحت عنوان "ترميز الكيرالية في الأسطح الرنانة المتحولة التي تحكمها تناظرات الشبكة".

كيف تُمكّن الذرات الفوقية من إنشاء أسطح ميتا كيرالية قابلة للضبط

منذ عقود، يطور العلماء أنواعًا جديدة من المواد، تُسمى "المواد الخارقة". تكتسب هذه المواد خصائص جديدة غير موجودة في الطبيعة، ليس فقط من تركيبها، بل من طريقة تصميم بنيتها الداخلية.

الذرات الميتا هي الكتل التي يتم من خلالها صنع المواد الميتا.

قام الباحثون بتطوير شبكات ثنائية الأبعاد مكونة من عناصر صغيرة (الذرات الفوقية) يمكنها ضبط خصائصها الكيرالية بسهولة.

المصدر الطبيعة

من خلال تغيير اتجاه الذرات الميتا-أتومات داخل الشبكة، يستطيع العلماء التحكم في تفاعل السطح الميتا-أتومات الناتج مع الضوء المستقطب.

المصدر الطبيعة

مجموعة أدوات كيرالية لترميز البيانات المستندة إلى الضوء

لم تُحقق المحاولات السابقة لاستخدام الكيرالية للتحكم في التفاعل مع الضوء نجاحًا يُذكر. ويعود ذلك في جزء كبير منه إلى صعوبة النهج، واستخدامه هندسة ذرية ميتا معقدة للغاية.

بدلاً من ذلك، استفاد الباحثون السويسريون والأستراليون من التفاعل بين شكل الذرات المتحولة وتناسق الشبكة. واستخدموا سطحًا متحولًا مصنوعًا من الجرمانيوم وفلوريد الكالسيوم.

المصدر الطبيعة

ونتيجة لذلك، أصبح بإمكانهم إنتاج سلوك كيرالي يمكن التنبؤ به، ويمكن تعديله من خلال معلمات بسيطة، وبالتالي إنشاء مجموعة أدوات عالمية لتصميم كيرالي حسب الطلب.

تم كتابة نمط السطح المقلوب باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية.

نقل البيانات المزدوج

كإثبات للمفهوم، أنشأ الباحثون صورة مكونة من طبقتين من البيانات المشفرة بواسطة سطح ميتا، واحدة بالضوء العادي والأخرى بالضوء المستقطب.

المصدر الطبيعة

تم ترميز "صورة النقل" بحجم ذرات الميتا، ويمكن فك تشفيرها باستخدام ضوء غير مستقطب. أما "الصورة الكيرالية" فقد تم ترميزها باتجاه ذرات الميتا، والتي تظهر عند تعرضها لضوء مستقطب دائريًا.

"أظهرت هذه التجربة قدرة تقنيتنا على إنتاج علامة مائية مزدوجة الطبقة غير مرئية للعين البشرية، مما يمهد الطريق لتطبيقات متقدمة لمكافحة التزوير والتمويه والأمن."

إيفان سينيف - باحث في مختبر أنظمة الفوتونيات الحيوية.

كان الضوء المستخدم في منتصف نطاق الأشعة تحت الحمراء، مما يجعله منخفض التكلفة نسبيًا وسهل الاستخدام.

التطبيقات الواقعية لتقنية الترميز الكيرالي

المجال الأول لتطبيق هذه التكنولوجيا هو التشفير المتقدم والوسم وغيرها من تدابير مكافحة التزوير.

وباستخدام هذه التقنية، يمكن استخدام مستوى تشفير فريد وسري، لا يمكن تنفيذه إلا باستخدام مجموعة الأدوات الكيرالية هذه، للتحقق من صحة الأوراق النقدية وبطاقات الهوية وأنظمة الدفع وأنظمة التعريف الأخرى.

خيار آخر هو استخدام هذه التقنية لإنشاء مستشعرات حساسة للهياكل الكيرالية. ولأن معظم الجزيئات البيولوجية كيرالية، يمكن استخدامها للتمييز بين الجزيئات الحيوية اليمنى واليسرى.

المصدر الطبيعة

وبما أن النظام يمكن ضبطه على طول التدرج، فإنه قد يسمح أيضًا باستشعار قابل للتطوير للجزيئات الكيرالية.

يمكننا استخدام هياكل فوقية كيرالية، مثل هياكلنا، لاستشعار تركيب الدواء أو نقائه، على سبيل المثال، من عينات صغيرة الحجم. قد يُحدث هذا فرقًا بين الدواء والسموم.

فيليكس ريختر - باحث في مختبر أنظمة الفوتون الحيوي.

يُعدّ الضوء المستقطب بالغ الأهمية أيضًا في أنظمة الحوسبة المتقدمة، التي تُعدّ بديلاً محتملاً لرقائق السيليكون الحالية. ويشمل ذلك الفوتونيات والحوسبة البصرية، بالإضافة إلى الحوسبة الكمومية والفوتونيات الكمومية.

يمكن استخدام هذا النوع من النظام الكيرالي القابل للضبط لتحقيق تقدم أكبر في التحكم في الضوء المستقطب، مما يزيد من الدقة ويقلل من تكلفة مثل هذه الأدوات لأنواع جديدة من الحوسبة المتقدمة.

أفضل شركة ليزر وفوتونيات مدرجة في البورصة

متماسك (مارلو الثاني إلى السادس):رائدة في مجال ابتكار الليزر

مع تزايد أهمية الفوتونيات والمواد الخارقة في العديد من الصناعات، تشهد الأدوات الرئيسية لهذه التقنيات، أي الليزر، نمواً في سوقها أيضاً.

كوهيرنت هي تكتل صناعي ضخم يضم أكثر من 26,000 موظف، وهي رائدة في مجال تكنولوجيا الليزر. نتجت عن اندماج شركة مارلو للمواد المتقدمة II-VI مع شركة كوهيرنت لتصنيع الليزر.

تعتبر الشركة خبيرة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر والبصريات والضوئيات، مثل فوسفيد الإنديوم والرقائق الفوقي وزرنيخيد الغاليوم.

وقد شهدت الشركة نمواً كبيراً بفضل عمليات الاستحواذ المتعددة على مدى العقد الماضي، من 600 مليون دولار من الإيرادات في عام 2013 إلى 4.7 مليار دولار في عام 2024.

تستمد الشركة 29% من إيراداتها من الليزر مباشرةً، بينما يرتبط الباقي بالمعدات المرتبطة به، مثل الألياف الضوئية والإلكترونيات. وتشمل فئة الأجهزة بشكل رئيسي علوم الحياة والتطبيقات الطبية.

المصدر متماسك

وجود الشركة في المواد المتقدمة مثل الخلايا الكهروضوئية الحرارية (والتي ناقشنا في المقال السابقوتساعدها التكنولوجيا المتقدمة مثل كربيد السيليكون والليزر والإلكترونيات على الاستفادة من الاتجاهات الهيكلية مثل نمو التصنيع الدقيق والتصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) والكهرباء والطاقات المتجددة.

الشركة لديها قامت مؤخرًا بفصل أعمال كربيد السيليكون الخاصة بها إلى كيان جديد، مملوك بنسبة 75٪ لشركة Coherent، مع ملكية الباقي بالتساوي بين شركائها ميتسوبيشي إلكتريك (التي تقدم طاقة كربيد السيليكون) ودينسو (التي تقدم نشاطها كمورد للسيارات في مجال الكهربة وأشباه الموصلات للطاقة).

ويرجع ذلك إلى أن كربيد السيليكون أصبح بشكل متزايد تكنولوجيا مستقلة، منفصلة عن الليزر، وتستخدم في الغالب في التطبيقات عالية الطاقة مثل السيارات الكهربائية والبطاريات والطاقة المتجددة. (يمكنك قراءة المزيد عن كربيد السيليكون في تقريرنا الاستثماري المخصص حول هذه التكنولوجيا.)

إن ليزر Coherent يجعلها رائدة في مجال LIDAR والاستشعار الرقمي ثلاثي الأبعاد، بما في ذلك تطبيقات القيادة الذاتية, التكنولوجيا الحيوية خلايا التدفق التسلسلي للجيل التالي (NGS)و الليزر لتصنيع أشباه الموصلاتوتتوقع الشركة أن تنمو أسواقها الرئيسية بنسبة تتراوح بين 8% و20%.

المصدر متماسك

ويمكن أن تساعد التطبيقات الجديدة المحتملة الأخرى لليزر، مثل أسلحة الطاقة المباشرة، والحوسبة الفوتونية، والاندماج النووي، وتكنولوجيا الفضاء، في دعم النمو طويل الأمد للشركة.

بشكل عام، تعتبر شركة Coherent أقرب ما يمكن إلى شركة ليزر عامة متداولة في البورصة للمستثمرين المهتمين بالقطاع، مع تكامل رأسي قوي وأكثر من 3,100 براءة اختراع تحمي ابتكاراتها.

مع تقدم علم الفوتونيات، فإنه سوف يزيد تدريجيا الطلب على أنظمة الليزر فائقة السرعة والدقة، فضلا عن الليزر المستخدم في الاتصالات البصرية.

أحدث أخبار وتطورات أسهم Coherent (COHR)

الدراسة المرجعية

^{1. سينيف، آي.، ريختر، فو، توفتول، آي. وآخرون. ترميز الكيرالية في الأسطح الرنانة المتحولة التي تحكمها تناظرات الشبكة. نات  COMMUNicationس 16، 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}