كيف تُحوِّل الأسطح الميتا‑كيرالية تشفير البيانات

ما هي الكيرالية؟ استكشاف العلم وراء التناظر

في الطبيعة، يُعد التناظر سمة أساسية للعديد من الأشياء، بما في ذلك مكونات الحمض النووي والضوء نفسه. من الممكن أن جزيئين شبه متطابقين يختلفان ليس في تركيبهما أو شكلهما، بل في اتجاههما، وهو مفهوم يُطلق عليه “الكيرالية”.

يمكن شرح الكيرالية بأبسط صورة كسبب اختلاف يدنا اليسرى عن اليد اليمنى، رغم أن كلا اليدين متطابقتين في الشكل والبنية والوظيفة.

تلعب الكيرالية دورًا أساسيًا في علم الأحياء، حيث اختارت الانتقاء الطبيعي جزيئات الحمض النووي والسكر والأحماض الأمينية ذات اليد اليمنى فقط (المكوّن الأساسي للبروتينات).

يمكن أن يحدث نفس الظاهرة مع الضوء، حيث يمكن استقطابه إلى اليسار أو اليمين، مما يغيّر اتجاه المجال الكهربائي له.

عند تعريض جزيء كيرالي للضوء المستقطب، تختلف التفاعل بناءً على اتجاه استقطاب الضوء.

هذه ظاهرة معروفة في الفيزياء، لكن حتى الآن كانت ضعيفة جدًا لاستخدامها في التطبيقات العملية. قد يكون ذلك قد تغير بفضل عمل الباحثين في المدرسة الفدرالية التقنية في لوزان (EPFL – سويسرا)، والجامعة الوطنية الأسترالية، وجامعة جنوب أستراليا.

نشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications¹ تحت العنوان “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

كيف تمكّن الميتا‑ذرات الأسطح الميتا‑كيرالية القابلة للتعديل

يعمل العلماء على تطوير أنواع جديدة من المواد تُسمى الميتامواد منذ عدة عقود. تستمد الميتامواد خصائص جديدة غير موجودة في الطبيعة، ليس من تركيبتها فقط، بل من كيفية تصميم هيكلها الداخلي.

الميتا‑ذرات هي الوحدات التي تُصنع منها الميتامواد.

طور الباحثون شبكات ثنائية الأبعاد مكوّنة من عناصر صغيرة (الميتا‑ذرات) يمكنها بسهولة تعديل خصائصها الكيرالية.

المصدر: Nature

من خلال تغيير اتجاه الميتا‑ذرات داخل الشبكة، يمكن للعلماء التحكم في تفاعل السطح الميتا الناتج مع الضوء المستقطب.

المصدر: Nature

مجموعة أدوات كيرالية لتشفير البيانات بالضوء

كانت المحاولات السابقة لاستخدام الكيرالية للتحكم في تفاعل الضوء ذات نجاح محدود. ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى النهج الصعب للغاية، الذي استخدم هندسات ميتا‑ذرات معقدة جدًا.

بدلاً من ذلك، استفاد الباحثون السويسريون والأستراليون من التفاعل بين شكل الميتا‑ذرات وتناظر الشبكة. استخدموا سطحًا ميتا مكوّنًا من الجرمانيوم وكالسيوم الفلوريد.

المصدر: Nature

وبالتالي، تمكنوا من إنتاج سلوك كيرالي يمكن التنبؤ به، قابل للتعديل عبر معلمات بسيطة، مما أدى إلى إنشاء مجموعة أدوات شاملة لتصميم الكيرالية حسب الطلب.

تم كتابة نمط السطح الميتا المقلوب باستخدام تقنية النقش بأشعة الإلكترون.

نقل البيانات المزدوج

كإثبات للمفهوم، أنشأ الباحثون صورة ذات طبقتين من البيانات مشفّرة بواسطة سطح ميتا، إحداهما بالضوء العادي والأخرى بالضوء المستقطب.

المصدر: Nature

تم تشفير “صورة النقل” بحجم الميتا‑ذرات، ويمكن فك تشفيرها باستخدام ضوء غير مستقطب. أما “الصورة الكيرالية” فتم تشفيرها باتجاه الميتا‑ذرات، وتظهر عند تعرضها للضوء المستقطب دائريًا.

“أظهر هذا التجربة قدرة تقنيتنا على إنتاج علامة مائية ذات طبقتين غير مرئية للعين البشرية، مما يمهد الطريق لتطبيقات متقدمة في مكافحة التزوير، والتمويه، والأمن”.
Ivan Sinev – باحث في مختبر أنظمة النانو‑فوتونيات الحيوية.

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

التطبيقات العملية لتقنية الترميز الكيرالي

المجال الأول لتطبيق هذه التقنية هو التشفير المتقدم، والوسم، وغيرها من إجراءات مكافحة التزوير.

باستخدام هذه التقنية، يمكن إنشاء مستوى فريد وسري من الترميز، لا يمكن تحقيقه إلا باستخدام مجموعة الأدوات الكيرالية المتاحة، لتوثيق أصالة الأوراق النقدية، وبطاقات الهوية، وأنظمة الدفع، وغيرها من أنظمة التعريف.

خيار آخر هو استخدام هذه التقنية لإنشاء حساسات حساسة للتركيبات الكيرالية. بما أن معظم الجزيئات الحيوية كيرالية، يمكن استخدامها للتمييز بين الجزيئات الحيوية ذات اليد اليسرى واليمنى.

المصدر: Nature

نظرًا لأن النظام يمكن ضبطه على طول تدرج، فإنه يمكن أن يتيح أيضًا استشعارًا قابلًا للتوسع للجزيئات الكيرالية.

“يمكننا استخدام الهياكل الميتا‑كيرالية مثل هياكلنا لاستشعار، على سبيل المثال، تركيبة الدواء أو نقاوته من عينات صغيرة الحجم. يمكن أن يحدث ذلك فرقًا بين دواء وسمّ”.
Felix Richter – باحث في مختبر أنظمة النانو‑فوتونيات الحيوية.

الضوء المستقطب مهم أيضًا في أنظمة الحوسبة المتقدمة التي تظهر كبديل محتمل للرقائق السيليكونية الحالية. يشمل ذلك الفوتونيات والحوسبة الضوئية، بالإضافة إلى الحوسبة الكمومية والفوتونيات الكمومية.

يمكن استخدام هذا النوع من الأنظمة الكيرالية القابلة للتعديل لتحقيق تقدم إضافي في التحكم بالضوء المستقطب، مما يزيد الدقة ويقلل تكلفة هذه الأدوات للأنواع الجديدة من الحوسبة المتقدمة.

أفضل شركة عامة لتصنيع الليزر والفوتونيات

Coherent (II-VI Marlow): رائد في ابتكار الليزر

مع تزايد أهمية الفوتونيات والميتامواد في العديد من الصناعات، فإن الأدوات الرئيسية لهذه التقنيات، وهي الليزر، تشهد أيضًا نموًا في سوقها.

Coherent هي مجموعة صناعية كبيرة تضم أكثر من 26,000 موظف وتعد رائدة في تكنولوجيا الليزر. نتجت عن دمج مادة متقدمة II-VI (COHR ) Marlow مع صانع الليزر Coherent.

تُعد الشركة خبيرة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر والبصريات والفوتونيات، مثل الفسفيد الإنديوم، الرقائق الإبيتاكسية، والزرنيخ الغاليوم.

نمت الشركة بشكل كبير بفضل عدة عمليات استحواذ خلال العقد الماضي، من إيرادات بلغت 600 مليون دولار في عام 2013 إلى 4.7 مليار دولار في عام 2024.

تحصل الشركة على 29٪ من إيراداتها مباشرة من الليزر، بينما يرتبط الباقي بالمعدات المرتبطة مثل الألياف البصرية والإلكترونيات. تشمل فئة الأجهزة أساسًا تطبيقات العلوم الحياتية والطب.

المصدر: Coherent

وجود الشركة في المواد المتقدمة مثل الخلايا الحرارية الضوئية (التي ناقشناها في مقال سابق)، وكربيد السيليكون، والليزر، والإلكترونيات يساعدها على الاستفادة من الاتجاهات الهيكلية مثل نمو التصنيع الدقيق، التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد)، الكهربة، والطاقة المتجددة.

قامت الشركة مؤخرًا بفصل أعمال كربيد السيليكون إلى كيان جديد، تمتلكه Coherent بنسبة 75٪، بينما يمتلك الشركاء ميتسوبيشي إلكتريك (الذي يقدم حقوق الملكية الفكرية لطاقة كربيد السيليكون) ودينسو (الذي يضيف نشاطه كمورد للسيارات في مجال الكهربة وأشباه الموصلات القوية) النسبة المتبقية بالتساوي.

ذلك لأن كربيد السيليكون أصبح تقنية مستقلة، منفصلة عن الليزر، ويُستخدم غالبًا في التطبيقات ذات القدرة العالية مثل السيارات الكهربائية، والبطاريات، والطاقة المتجددة. (يمكنك قراءة المزيد حول كربيد السيليكون في تقريرنا الاستثماري المخصص حول هذه التقنية.)

تجعل ليزر Coherent الشركة رائدة في تقنية LIDAR والاستشعار الرقمي ثلاثي الأبعاد، بما في ذلك لتطبيقات القيادة الذاتية، والبيوتكنولوجيا تسلسل الجيل التالي (NGS) لخلايا التدفق، والليزر لتصنيع أشباه الموصلات. وتتوقع أن تنمو أسواقها الرئيسية بنسبة 8-20٪.

المصدر: Coherent

قد تساعد تطبيقات الليزر الجديدة المحتملة مثل الأسلحة ذات الطاقة المباشرة، الحوسبة الفوتونية، الاندماج النووي، وتكنولوجيا الفضاء، جميعها في دعم النمو الطويل الأجل للشركة.

بشكل عام، تُعد Coherent أقرب ما يمكن إلى شركة ليزر عامة “نقية” للمستثمرين المهتمين بالقطاع، مع تكامل عمودي قوي وأكثر من 3,100 براءة اختراع تحمي ابتكاراتها.

مع تقدم الفوتونيات، سيزداد الطلب تدريجيًا على أنظمة الليزر فائقة السرعة والدقة، بالإضافة إلى الليزر المستخدم في الاتصالات الضوئية.

أحدث أخبار وتطورات سهم Coherent (COHR)

الدراسة المشار إليها

^{1. Sinev, I., Richter, F.U., Toftul, I. et al. Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries. Nature Communications 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}