Wie chirale Metaoberflächen die Datenkodierung verändern

Was ist Chiralität? Die Wissenschaft hinter der Symmetrie

In der Natur ist Symmetrie ein grundlegendes Merkmal vieler Dinge, einschließlich der Bestandteile der DNA und des Lichts selbst. Es ist möglich, dass sich zwei nahezu identische Moleküle nicht in ihrer Zusammensetzung oder Form unterscheiden, sondern in ihrer Ausrichtung (ein Konzept, das als „Chiralität“ bezeichnet wird).

Chiralität lässt sich in ihrer einfachsten Form als der Grund dafür erklären, warum sich unsere linke Hand von unserer rechten unterscheidet, obwohl beide Hände in Form, Struktur und Funktion identisch sind.

Chiralität spielt in der Biologie eine grundlegende Rolle, wobei die natürliche Selektion ausschließlich „rechtshändige“ DNA-Moleküle, Zucker und Aminosäuren (die Grundbestandteile von Proteinen) selektiert hat.

Das gleiche Phänomen kann bei Licht auftreten, das nach links oder rechts polarisiert sein kann, wodurch sich die Richtung seines elektrischen Felds ändert.

Wenn ein chirales Molekül polarisiertem Licht ausgesetzt wird, unterscheidet sich die Reaktion je nach Richtung der Lichtpolarisation.

Dieses Phänomen ist in der Physik wohlbekannt, war aber bisher zu schwach für praktische Anwendungen. Dank der Arbeit von Forschenden der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Schweiz), der Australian National University und der University of South Australia könnte sich dies nun ändern.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications¹, unter dem Titel "Chiralitätskodierung in resonanten Metaoberflächen, bestimmt durch Gittersymmetrien".

Wie Metaatome anpassbare chirale Metaoberflächen ermöglichen

Wissenschaftler entwickeln seit Jahrzehnten neue Materialien, sogenannte Metamaterialien. Metamaterialien weisen neue Eigenschaften auf, die in der Natur nicht vorkommen. Diese resultieren nicht allein aus ihrer Zusammensetzung, sondern auch aus der Art und Weise, wie ihre innere Struktur gestaltet ist.

Metaatome sind die Bausteine, aus denen Metamaterialien bestehen.

Die Forscher haben 2D-Gitter entwickelt, die aus winzigen Elementen (den Metaatomen) bestehen, deren chirale Eigenschaften leicht angepasst werden können.

Quelle: Natur

Durch Variation der Ausrichtung von Metaatomen innerhalb eines Gitters können Wissenschaftler die Interaktion der resultierenden Metaoberfläche mit polarisiertem Licht steuern.

Quelle: Natur

Ein chirales Toolkit für die lichtbasierte Datenkodierung

Frühere Versuche, die Wechselwirkung mit Licht durch Chiralität zu steuern, waren nur bedingt erfolgreich. Dies lag vor allem an einem zu schwierigen Ansatz mit sehr komplexen Metaatom-Geometrien.

Stattdessen machten sich die Schweizer und australischen Forscher die Wechselwirkung zwischen der Form der Metaatome und der Symmetrie des Gitters zunutze. Sie verwendeten eine Metaoberfläche aus Germanium und Calciumdifluorid.

Quelle: Natur

Dadurch konnten sie ein vorhersagbares chirales Verhalten erzeugen, das durch einfache Parameter angepasst werden kann, und so ein universelles Toolkit für chirales Design auf Abruf erstellen.

Das invertierte Metaoberflächenmuster wurde mithilfe der Elektronenstrahllithografie geschrieben.

Duale Datenübertragung

Als Machbarkeitsnachweis erstellten die Forscher ein Bild mit zwei durch eine Metaoberfläche kodierten Datenebenen, eine mit normalem Licht und eine mit polarisiertem Licht.

Quelle: Natur

Das „Transmissionsbild“ wurde durch die Größe der Metaatome kodiert und konnte mit unpolarisiertem Licht dekodiert werden. Das „chirale Bild“ wurde durch die Orientierung der Metaatome kodiert und kam bei Einwirkung von zirkular polarisiertem Licht zum Vorschein.

„Dieses Experiment demonstrierte die Fähigkeit unserer Technik, ein für das menschliche Auge unsichtbares, zweischichtiges ‚Wasserzeichen‘ zu erzeugen und ebnete damit den Weg für fortschrittliche Anwendungen im Bereich Fälschungsschutz, Tarnung und Sicherheit“,

Ivan Sinev - Forscher im Bionanophotonics Systems Lab.

Das verwendete Licht lag im mittleren Infrarotbereich und war daher relativ kostengünstig und einfach zu handhaben.

Praktische Anwendungen der chiralen Kodierungstechnologie

Das erste Anwendungsgebiet dieser Technologie sind erweiterte Verschlüsselungs- und Kennzeichnungsfunktionen sowie andere Maßnahmen zum Schutz vor Produktfälschungen.

Mithilfe dieser Technik könnte eine einzigartige und geheime Verschlüsselungsebene, die nur mit diesem vorhandenen chiralen Toolkit möglich ist, zur Zertifizierung der Echtheit von Banknoten, Ausweisen, Zahlungssystemen und anderen Identifikationssystemen verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit wäre, diese Technik zur Entwicklung von Sensoren zu nutzen, die chirale Strukturen erkennen. Da die meisten biologischen Moleküle chiral sind, könnte dies zur Unterscheidung zwischen links- und rechtshändigen Biomolekülen genutzt werden.

Quelle: Natur

Da das System entlang eines Gradienten abgestimmt werden kann, könnte es auch eine skalierbare Erfassung chiraler Moleküle ermöglichen.

„Wir können chirale Metastrukturen wie unsere nutzen, um beispielsweise die Zusammensetzung oder Reinheit von Medikamenten anhand kleiner Probenmengen zu bestimmen. Das könnte den Unterschied zwischen einem Medikament und einem Gift ausmachen.“

Felix Richter - Forscher im Bionanophotonic Systems Lab.

Polarisiertes Licht ist auch in modernen Computersystemen von großer Bedeutung, die als potenzielle Alternative zu aktuellen Siliziumchips entstehen. Dazu gehören Photonik und optisches Computing sowie Quantencomputing und Quantenphotonik.

Mit dieser Art von abstimmbarem chiralem System könnten weitere Fortschritte bei der Steuerung polarisierten Lichts erzielt werden, wodurch die Präzision erhöht und die Kosten solcher Werkzeuge für neue Arten der fortgeschrittenen Datenverarbeitung gesenkt werden könnten.

Führendes börsennotiertes Laser- und Photonikunternehmen

Kohärent (II-VI Marlow): Ein führendes Unternehmen im Bereich Laserinnovation

Da Photonik und Metamaterialien in vielen Branchen immer wichtiger werden, wächst auch der Markt für die wichtigsten Werkzeuge dieser Techniken, die Laser.

Coherent ist ein großer Industriekonzern mit über 26,000 Mitarbeitern und führend in der Lasertechnologie. Das Unternehmen entstand aus der Fusion von Advanced Material II-VI Marlow mit dem Laserhersteller Coherent.

Das Unternehmen ist Experte für hochentwickelte Materialien für die Anwendung in Lasern, der Optik und der Photonik, wie etwa Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumarsenid.

Das Wachstum ist größtenteils auf zahlreiche Übernahmen im letzten Jahrzehnt zurückzuführen, von 600 Millionen US-Dollar Umsatz im Jahr 2013 auf 4.7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024.

Das Unternehmen erwirtschaftet 29 % seines Umsatzes direkt mit Lasern, der Rest mit zugehöriger Ausrüstung wie Glasfasern und Elektronik. Die Kategorie Instrumentierung umfasst vor allem Anwendungen in den Biowissenschaften und der Medizin.

Quelle: Kohärent

Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (die Wir haben in einem früheren Artikel), Siliziumkarbid, Laser und Elektronik hilft dem Unternehmen, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, der additiven Fertigung (3D-Druck), der Elektrifizierung und der erneuerbaren Energien zu profitieren.

Die Firma hat hat vor kurzem sein Siliziumkarbidgeschäft in eine neue Einheit ausgegliedert, die zu 75 % im Besitz von Coherent ist, der Rest gehört zu gleichen Teilen den Partnern Mitsubishi Electric (bringt geistiges Eigentum im Bereich Siliziumkarbid-Leistung ein) und Denso (bringt seine Aktivitäten als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter ein).

Dies liegt daran, dass Siliziumkarbid zunehmend eine eigene, vom Laser getrennte Technologie darstellt und hauptsächlich in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, Batterien und erneuerbarer Energie eingesetzt wird. (Sie können mehr darüber lesen Siliziumkarbid in unserem speziellen Investitionsbericht über diese Technologie.)

Coherent ist mit seinen Lasern führend in LIDAR und 3D-Digitalsensorik, auch für autonome Fahranwendungen, Biotechnologie Durchflusszellen für die Sequenzierung der nächsten Generation (NGS)und  Laser für die HalbleiterfertigungDas Unternehmen erwartet für seine Hauptmärkte ein Wachstum von 8 bis 20 %.

Quelle: Kohärent

Andere potenzielle neue Anwendungen von Lasern, wie etwa Energiewaffen, Photonik-Computer, Kernfusion und Weltraumtechnologie, könnten alle gleichermaßen zum langfristigen Wachstum des Unternehmens beitragen.

Insgesamt kommt Coherent für an diesem Sektor interessierte Anleger einem reinen, börsennotierten Laserunternehmen mit starker vertikaler Integration und über 3,100 Patenten zum Schutz seiner Innovationen am nächsten.

Mit der Weiterentwicklung der Photonik wird auch die Nachfrage nach ultraschnellen und ultrapräzisen Lasersystemen sowie nach Lasern für die optische Telekommunikation stetig steigen.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Coherent (COHR)-Aktie

Zitierte Studie

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Chiralitätskodierung in resonanten Metaoberflächen, bestimmt durch Gittersymmetrien. Nature KommunBescheinigungs 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}