Wie chirale Metasurfaces die Datenkodierung transformieren

Was ist Chiralität? Die Wissenschaft hinter Symmetrie erforschen

In der Natur ist Symmetrie ein grundlegendes Merkmal vieler Dinge, einschließlich der Bestandteile von DNA und des Lichts selbst. Es ist möglich, dass zwei Moleküle, die fast identisch sind, sich nicht in ihrer Zusammensetzung oder Form, sondern in ihrer Orientierung unterscheiden – ein Konzept, das als „Chiralität“ bezeichnet wird.

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

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

Ein ähnliches Phänomen kann beim Licht auftreten, das nach links oder rechts polarisiert werden kann und dabei die Richtung seines elektrischen Feldes ändert.

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

Dies ist ein bekanntes Phänomen in der Physik, doch bisher war es zu schwach, um in praktischen Anwendungen genutzt zu werden. Das könnte sich dank der Arbeit von Forschern der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Schweiz), der Australian National University und der University of South Australia geändert haben.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications¹ unter dem Titel „Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries“.

Wie Meta-Atome einstellbare chirale Metasurfaces ermöglichen

Wissenschaftler entwickeln seit einigen Jahrzehnten neue Materialarten, sogenannte Metamaterialien. Metamaterialien erhalten neue Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen, nicht nur durch ihre Zusammensetzung, sondern durch das Design ihrer inneren Struktur.

Meta-Atome sind die Bausteine, aus denen Metamaterialien bestehen.

Die Forscher haben 2D-Gitter entwickelt, die aus winzigen Elementen (den Meta-Atomen) bestehen und deren chirale Eigenschaften leicht einstellbar sind.

Quelle: Nature

Durch Variation der Orientierung der Meta-Atome innerhalb eines Gitters können Wissenschaftler die Wechselwirkung der resultierenden Metasurface mit polarisiertem Licht steuern.

Quelle: Nature

Ein chirales Toolkit für lichtbasierte Datenkodierung

Frühere Versuche, Chiralität zur Steuerung der Wechselwirkung mit Licht zu nutzen, hatten begrenzten Erfolg. Das lag größtenteils an einem zu schwierigen Ansatz, der sehr komplexe Meta-Atom-Geometrien verwendete.

Stattdessen nutzten die Schweizer und Australischen Forscher die Wechselwirkung zwischen der Form der Meta-Atome und der Symmetrie des Gitters. Sie verwendeten eine Metasurface aus Germanium und Calciumfluorid.

Quelle: Nature

Infolgedessen konnten sie ein vorhersehbares chirales Verhalten erzeugen, das durch einfache Parameter einstellbar ist, und damit ein universelles Toolkit für bedarfsgerechtes chirales Design schaffen.

Das invertierte Metasurface-Muster wurde mittels Elektronenstrahl-Lithografie erstellt.

Duale Datenübertragung

Als Machbarkeitsnachweis erstellten die Forscher ein Bild mit zwei Datenebenen, die von einer Metasurface codiert wurden – eine mit normalem Licht und eine mit polarisiertem Licht.

Quelle: Nature

Das „Übertragungsbild“ wurde durch die Größe der Meta-Atome codiert und kann mit unpolarisiertem Licht dekodiert werden. Das „chirale Bild“ wurde durch die Orientierung der Meta-Atome codiert und wird sichtbar, wenn es zirkular polarisiertem Licht ausgesetzt wird.

“Dieses Experiment zeigte die Fähigkeit unserer Technik, ein zweischichtiges ‚Wasserzeichen‘ zu erzeugen, das für das menschliche Auge unsichtbar ist, und ebnet den Weg für fortschrittliche Anti‑Fälschungs‑, Tarn‑ und Sicherheitsanwendungen,”

Ivan Sinev – Bionanophotonics Systems Lab researcher.

Das verwendete Licht lag im mittleren Infrarotbereich, was es relativ kostengünstig und einfach zu handhaben macht.

Praktische Anwendungen der chiralen Kodierungstechnologie

Das erste Anwendungsfeld dieser Technologie ist die fortschrittliche Verschlüsselung, Kennzeichnung und weitere Anti‑Fälschungs‑Maßnahmen.

Mit dieser Technik könnte ein einzigartiges und geheimes Kodierungsebenen, das nur mit diesem chiralen Toolkit realisierbar ist, zur Zertifizierung der Echtheit von Banknoten, Ausweisen, Zahlungssystemen und anderen Identifikationssystemen verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, diese Technik zu nutzen, um Sensoren zu schaffen, die empfindlich auf chirale Strukturen reagieren. Da die meisten biologischen Moleküle chiral sind, könnte dies zur Unterscheidung von links- und rechtsdrehenden Biomolekülen eingesetzt werden.

Quelle: Nature

Da das System entlang eines Gradienten einstellbar ist, könnte es auch eine skalierbare Erfassung chiraler Moleküle ermöglichen.

“Wir können chirale Metastrukturen wie unsere nutzen, um beispielsweise die Zusammensetzung oder Reinheit von Medikamenten aus kleinen Proben zu bestimmen. Das könnte den Unterschied zwischen einem Medikament und einem Gift ausmachen,”

Felix Richter – Bionanophotonic Systems Lab researcher.

Polarisiertes Licht ist auch sehr wichtig in fortschrittlichen Rechensystemen, die als potenzielle Alternative zu aktuellen Siliziumchips entstehen. Dazu gehören Photonik und optisches Computing sowie Quantencomputing und Quantenphotonik.

Ein solches einstellbares chirales System könnte dazu verwendet werden, den Fortschritt bei der Kontrolle von polarisiertem Licht voranzutreiben, die Präzision zu erhöhen und die Kosten solcher Werkzeuge für neue Arten von fortschrittlichem Computing zu senken.

Top börsennotiertes Laser‑ & Photonik‑Unternehmen

Coherent (II-VI Marlow): Ein Vorreiter in der Laserinno­vation

Da Photonik und Metamaterialien in vielen Branchen immer wichtiger werden, wachsen auch die Hauptwerkzeuge für diese Techniken, die Laser, im Markt.

Coherent ist ein großes Industrie‑Konglomerat mit über 26.000 Mitarbeitern und ein führendes Unternehmen im Bereich Lasertechnologie. Es entstand durch die Fusion des fortschrittlichen Materials II-VI (COHR ) Marlow mit dem Lasermacher Coherent.

Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumnarsenid.

Es wuchs vor allem dank mehrerer Akquisitionen im letzten Jahrzehnt, von 600 Mio. $ Umsatz im Jahr 2013 auf 4,7 Mrd. $ im Jahr 2024.

Das Unternehmen erzielt 29 % seiner Einnahmen direkt aus Lasern, der Rest stammt aus zugehöriger Ausrüstung wie optischen Fasern und Elektronik. Die Kategorie Instrumentierung umfasst hauptsächlich Anwendungen in den Lebenswissenschaften und der Medizintechnik.

Quelle: Coherent

Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (die wir in einem vorherigen Artikel diskutierten), Siliziumkarbid, Lasern und Elektronik ermöglicht es, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, der additiven Fertigung (3D‑Druck), der Elektrifizierung und erneuerbarer Energien zu profitieren.

Das Unternehmen hat kürzlich sein Siliziumkarbid‑Geschäft in ein neues Unternehmen ausgegliedert, das zu 75 % von Coherent gehalten wird, wobei der Rest zu gleichen Teilen von den Partnern Mitsubishi Electric (die Siliziumkarbid‑Power‑IP einbringen) und Denso (die als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter tätig sind) gehalten wird.

Dies liegt daran, dass Siliziumkarbid zunehmend eine eigenständige Technologie ist, getrennt von Lasern, und hauptsächlich in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, Batterien und erneuerbarer Energie eingesetzt wird. (Sie können mehr über Siliziumkarbid in unserem speziellen Investitionsbericht zu dieser Technologie.)

Coherents Laser machen es zu einem führenden Unternehmen im Bereich LIDAR und 3D‑digitales Sensing, einschließlich Anwendungen für autonomes Fahren, Biotechnologie Next‑Generation‑Sequencing (NGS) Flow‑Cells und Laser für die Halbleiterfertigung. Es erwartet, dass seine Hauptmärkte mit 8‑20 % wachsen.

Quelle: Coherent

Weitere potenzielle neue Anwendungen von Lasern, wie Direktenergie‑Waffen, photonisches Computing, Kernfusion und Raumfahrttechnologie, könnten ebenfalls das langfristige Wachstum des Unternehmens unterstützen.

Insgesamt ist Coherent das am nächsten an ein „reines“ börsennotiertes Laserunternehmen herankommende Unternehmen für Investoren, die an diesem Sektor interessiert sind, mit starker vertikaler Integration und über 3.100 Patenten, die seine Innovationen schützen.

Mit dem Fortschritt der Photonik wird die Nachfrage nach ultra‑schnellen, ultra‑präzisen Lasersystemen sowie nach Lasern für die optische Telekommunikation stetig steigen.

Neueste Coherent (COHR) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Referenzierte Studie

^{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}