Hvordan chirale metasurfaces transformerer datakodning

Hvad er kiralitet? Udforsk videnskaben bag symmetri

I naturen er symmetri et fundamentalt træk ved mange ting, herunder DNA'ets komponenter og lyset selv. Det er muligt, at to molekyler, der er næsten identiske med hinanden, ikke adskiller sig i deres sammensætning eller form, men i deres orientering, et begreb kaldet "kiralitet".

Kiralitet kan forklares i sin enkleste form som årsagen til, at vores venstre hånd adskiller sig fra vores højre hånd, på trods af at begge hænder er identiske i deres form, struktur og funktion.

Kiralitet spiller en fundamental rolle i biologien, hvor naturlig selektion udelukkende har udvalgt "højrehåndede" DNA-molekyler, sukker og aminosyrer (proteinernes basiskomponent).

Den samme type fænomen kan forekomme med lys, som kan polariseres mod venstre eller højre og ændre retningen af dets elektriske felt.

Når et chiralt molekyle udsættes for polariseret lys, varierer reaktionen afhængigt af lysets polarisationsretning.

Dette er et velkendt fænomen inden for fysik, men indtil nu var det for svagt til at blive brugt i praktiske anvendelser. Dette kan have ændret sig takket være arbejdet udført af forskere ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Schweiz), Australian National University og University of South Australia.

De offentliggjorde deres resultater i Nature Communications¹, under titlen "Kiralitetskodning i resonante metasoverflader styret af gittersymmetrier".

Hvordan metaatomer muliggør justerbare chirale metaoverflader

Forskere har i årtier udviklet nye typer materialer, kaldet metamaterialer. Metamaterialer får nye egenskaber, som ikke findes i naturen, ikke alene fra deres sammensætning, men fra hvordan deres indre struktur er designet.

Metaatomer er de blokke, som metamaterialer er lavet af.

Forskerne har udviklet 2D-gitre bestående af bittesmå elementer (meta-atomer), der nemt kan justere deres chirale egenskaber.

Kilde: Natur

Ved at variere orienteringen af meta-atomer i et gitter kan forskere kontrollere den resulterende metaoverflades interaktion med polariseret lys.

Kilde: Natur

Et kiralt værktøjssæt til lysbaseret datakodning

Tidligere forsøg på at bruge kiralitet til at kontrollere interaktion med lys havde begrænset succes. Dette skyldtes i høj grad en for vanskelig tilgang med meget komplekse metaatomgeometrier.

I stedet udnyttede de schweiziske og australske forskere samspillet mellem metaatomernes form og gitterets symmetri. De brugte en metaoverflade lavet af germanium og calciumdifluorid.

Kilde: Natur

Som et resultat kunne de producere en forudsigelig kiral adfærd, der kan justeres med simple parametre, og dermed skabe et universelt værktøjssæt til on-demand kiralt design.

Det inverterede metasurface-mønster blev skrevet ved hjælp af elektronstrålelitografi.

Dobbelt dataoverførsel

Som et proof-of-concept skabte forskerne et billede med to lag data kodet af en metasoverflade, et med normalt lys og et med polariseret lys.

Kilde: Natur

"Transmissionsbilledet" blev kodet af metaatomernes størrelse og kunne afkodes ved hjælp af upolariseret lys. Det "kirale billede" blev kodet af metaatomernes orientering, som blev afsløret ved udsættelse for cirkulært polariseret lys.

"Dette eksperiment viste vores tekniks evne til at producere et dobbeltlags 'vandmærke', der er usynligt for det menneskelige øje, hvilket baner vejen for avancerede antiforfalsknings-, camouflage- og sikkerhedsapplikationer."

Ivan Sinev - Forsker i Bionanophotonics Systems Lab.

Det anvendte lys var i midten af det infrarøde område, hvilket gjorde det relativt billigt og nemt at bruge.

Virkelige anvendelser af kiral kodningsteknologi

Det første anvendelsesområde for denne teknologi er avanceret kryptering, tagging og andre foranstaltninger mod forfalskning.

Ved hjælp af denne teknik kunne et unikt og hemmeligt kodningsniveau, som kun kan gøres med dette chirale værktøjssæt ved hånden, bruges til at certificere ægtheden af pengesedler, ID-kort, betalingssystemer og andre identifikationssystemer.

En anden mulighed kunne være at bruge denne teknik til at skabe sensorer, der er følsomme over for chirale strukturer. Da de fleste biologiske molekyler er chirale, kan dette bruges til at skelne mellem venstre- og højrehåndede biomolekyler.

Kilde: Natur

Da systemet kan indstilles langs en gradient, kan det også muliggøre skalerbar registrering af chirale molekyler.

"Vi kan bruge chirale metastrukturer som vores til at registrere for eksempel lægemiddelsammensætning eller renhed fra prøver i små volumener. Det kan være forskellen mellem et lægemiddel og et toksin,"

Felix Richter - Forsker i Bionanophotonic Systems Lab.

Polariseret lys er også meget vigtigt i avancerede computersystemer, der fremstår som et potentielt alternativ til nuværende siliciumchips. Dette omfatter fotonik og optisk databehandling, såvel som kvantedatabehandling og kvantefotonik.

Denne type justerbart kiralt system kunne bruges til at gøre yderligere fremskridt inden for kontrol af polariseret lys, øge præcisionen og reducere omkostningerne ved sådanne værktøjer til nye typer avanceret databehandling.

Top børsnoterede laser- og fotonikvirksomhed

Sammenhængende (II-VI Marlow)En førende inden for laserinnovation

Efterhånden som fotonik og metamaterialer bliver vigtigere i mange brancher, oplever lasere, der er de vigtigste værktøjer til disse teknikker, også et voksende marked.

Coherent er et stort industrikonglomerat med over 26,000 ansatte og en førende virksomhed inden for laserteknologi. Det blev resultatet af fusionen af ​​det avancerede materiale II-VI Marlow med laserproducenten Coherent.

Virksomheden er ekspert i avancerede materialer, der bruges i lasere, optik og fotonik, såsom indiumphosphid, epitaksiale wafere og galliumarsenid.

Den voksede i høj grad takket være flere opkøb i løbet af det sidste årti, fra en omsætning på 600 millioner dollars i 2013 til 4.7 milliarder dollars i 2024.

Virksomheden får 29% af sin omsætning direkte fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende udstyr som optisk fiber og elektronik. Instrumenteringskategorien omfatter primært biovidenskab og medicinske applikationer.

Kilde: sammenhængende

Virksomhedens tilstedeværelse i avancerede materialer som termofotovoltaik (som vi diskuterede i en tidligere artikel), siliciumcarbid, lasere og elektronik hjælper den med at drage fordel af strukturelle tendenser som væksten inden for præcisionsproduktion, additiv fremstilling (3D-printning), elektrificering og vedvarende energi.

Virksomheden har for nylig udskilt sin siliciumcarbidforretning i en ny enhed, der ejes 75% af Coherent, mens resten ejes ligeligt af partnerne Mitsubishi Electric (hvilket bringer siliciumcarbid-kraftværker ind i markedet) og Denso (hvilket bringer deres aktivitet som leverandør af elektrificering og effekthalvledere til bilindustrien).

Dette skyldes, at siliciumcarbid i stigende grad er en selvstændig teknologi, adskilt fra laser, og primært brugt i højtydende applikationer som elbiler, batterier og vedvarende energi. (Du kan læse mere om siliciumcarbid i vores dedikerede investeringsrapport om denne teknologi.)

Coherents lasere gør dem førende i LIDAR og 3D-digital sensing, herunder til selvkørende applikationer, biotek Next Generation Sequencing (NGS) flowcellerog lasere til fremstilling af halvledereDen forventer, at dens hovedmarkeder vil vokse med 8-20 %.

Kilde: sammenhængende

Andre potentielle nye anvendelser af lasere, såsom direkte energivåben, fotonisk databehandling, nuklear fusion og rumteknologi, kan alle i lige så høj grad bidrage til at opretholde virksomhedens langsigtede vækst.

Samlet set er Coherent så tæt som det kan komme på et "pure play" børsnoteret laserselskab for investorer, der er interesserede i sektoren, med stærk vertikal integration og 3,100+ patenter, der beskytter dets innovationer.

Efterhånden som fotonik udvikler sig, vil det gradvist øge efterspørgslen efter ultrahurtige og ultrapræcise lasersystemer samt lasere, der anvendes i optisk telekommunikation.

Seneste Coherent (COHR) aktienyheder og udviklinger

Undersøgelse refereret

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Kiralitetskodning i resonante metasoverflader styret af gittersymmetrier. Nature almindeligegement§ 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}