Πώς οι Χιρικές Μεταεπιφάνειες Μετασχηματίζουν την Κωδικοποίηση Δεδομένων

Τι είναι η Χειροτεχνία; Εξερευνώντας την Επιστήμη Πίσω από τη Συμμετρία

In nature, symmetry is a fundamental feature of many things, including the components of DNA and light itself. It is possible that two molecules almost identical to each other differ not in their composition or shape, but in their orientation, a concept called “chirality”.

Η χειροτεχνία μπορεί να εξηγηθεί με τον πιο απλό τρόπο ως ο λόγος για τον οποίο το αριστερό μας χέρι διαφέρει από το δεξί, παρόλο που και τα δύο χέρια είναι πανομοιότυπα στο σχήμα, τη δομή και τη λειτουργία τους.

Η χειροτεχνία παίζει θεμελιώδη ρόλο στη βιολογία, με την φυσική επιλογή να έχει επιλέξει αποκλειστικά «δεξιόχειρες» μόρια DNA, ζάχαρη και αμινοξέα (το βασικό συστατικό των πρωτεϊνών).

Το ίδιο φαινόμενο μπορεί να συμβαίνει και με το φως, το οποίο μπορεί να πολωθεί προς τα αριστερά ή τα δεξιά, αλλάζοντας την κατεύθυνση του ηλεκτρικού του πεδίου.

Όταν εκτίθεται ένα χειροτεχνικό μόριο σε πολωμένο φως, η αντίδραση διαφέρει ανάλογα με την κατεύθυνση της πόλωσης του φωτός.

Αυτό είναι ένα γνωστό φαινόμενο στη φυσική, αλλά μέχρι τώρα ήταν πολύ αδύναμο για να χρησιμοποιηθεί σε πρακτικές εφαρμογές. Αυτό μπορεί να έχει αλλάξει χάρη στην εργασία ερευνητών του École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Ελβετία), του Australian National University και του University of South Australia.

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Nature Communications¹, με τίτλο «Κωδικοποίηση χειροτεχνίας σε κυματικές μεταεπιφάνειες που διέπονται από τις συμμετρίες του πλέγματος».

Πώς τα Μετα-Άτομα Ενεργοποιούν Ρυθμιζόμενες Χειροτεχνικές Μεταεπιφάνειες

Scientists have been developing new types of materials, called metamaterials, for a few decades. Metamaterials derive new properties not found in nature, not from their composition alone, but from how their internal structure is designed.

Τα μετα-άτομα είναι τα δομικά στοιχεία από τα οποία κατασκευάζονται τα μεταϋλικά.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν 2Δ πλέγματα που αποτελούνται από μικροσκοπικά στοιχεία (τα μετα-άτομα) που μπορούν εύκολα να ρυθμίζουν τις χιρικές τους ιδιότητες.

Πηγή: Nature

Με την αλλαγή του προσανατολισμού των μετα-ατόμων μέσα σε ένα πλέγμα, οι επιστήμονες μπορούν να ελέγχουν την αλληλεπίδραση της προκύπτουσας μεταεπιφάνειας με το πολωμένο φως.

Πηγή: Nature

Ένα Χιρικό Εργαλειοθήκη για Κωδικοποίηση Δεδομένων Βασισμένη σε Φως

Previous attempts to use chirality to control interaction with light had limited success. In large part, this was due to a too difficult approach, using very complex meta-atom geometries.

Αντίθετα, οι ελβετοί και αυστραλοί ερευνητές αξιοποίησαν την αλληλεπίδραση μεταξύ του σχήματος των μετα-ατόμων και της συμμετρίας του πλέγματος. Χρησιμοποίησαν μια μεταεπιφάνεια κατασκευασμένη από γερμάνιο και διφθοράλιο ασβεστίου.

Πηγή: Nature

Ως αποτέλεσμα, μπόρεσαν να παράγουν μια προβλέψιμη χιρική συμπεριφορά, ρυθμιζόμενη με απλές παραμέτρους, δημιουργώντας έτσι μια καθολική εργαλειοθήκη για σχεδίαση χιρικών δομών κατά παραγγελία.

Το ανεστραμμένο μοτίβο της μεταεπιφάνειας γράφτηκε με χρήση λυτρωτικής ηλεκτρονικής δέσμης.

Διπλή Μετάδοση Δεδομένων

As a proof-of-concept, the researchers created an image with 2 layers of data encoded by a metasurface, one with normal light and one with polarized light.

Ως απόδειξη της έννοιας, οι ερευνητές δημιούργησαν μια εικόνα με 2 επίπεδα δεδομένων κωδικοποιημένα από μια μεταεπιφάνεια, ένα με κανονικό φως και ένα με πολωμένο φως.

Πηγή: Nature

Η «εικόνα μετάδοσης» κωδικοποιήθηκε με το μέγεθος των μετα-ατόμων και μπορεί να αποκωδικοποιηθεί με χρήση μη πολωμένου φωτός. Η «χειροτεχνική εικόνα» κωδικοποιήθηκε με τον προσανατολισμό των μετα-ατόμων, αποκαλύπτεται όταν εκτίθεται σε κυκλικά πολωμένο φως.

“Αυτό το πείραμα ανέδειξε την ικανότητα της τεχνικής μας να παράγει ένα διπλό στρώμα «υδατογράφημα» αόρατο στο ανθρώπινο μάτι, ανοίγοντας το δρόμο για προηγμένες εφαρμογές κατά της παραχάραξης, κάλυψης και ασφαλείας,”

Ivan Sinev – ερευνητής του Bionanophotonics Systems Lab.

Το φως που χρησιμοποιήθηκε ήταν στη μέση του υπέρυθρου φάσματος, καθιστώντας το σχετικά χαμηλού κόστους και εύκολο στη χρήση.

Πρακτικές Εφαρμογές της Τεχνολογίας Κωδικοποίησης Χειροτεχνίας

Ο πρώτος τομέας εφαρμογής αυτής της τεχνολογίας είναι για προηγμένη κρυπτογράφηση, σήμανση και άλλα μέτρα κατά της παραχάραξης.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, ένα μοναδικό και μυστικό επίπεδο κωδικοποίησης, δυνατό μόνο με αυτήν την χιρική εργαλειοθήκη, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πιστοποίηση της αυθεντικότητας τραπεζικών χαρτονομισμάτων, ταυτοτήτων, συστημάτων πληρωμών και άλλων συστημάτων ταυτοποίησης.

Μια άλλη δυνατότητα θα μπορούσε να είναι η χρήση αυτής της τεχνικής για δημιουργία αισθητήρων ευαίσθητων σε χιρικές δομές. Καθώς τα περισσότερα βιολογικά μόρια είναι χιρικά, αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση μεταξύ αριστερόχειρων και δεξιόχειρων βιομορίων.

Πηγή: Nature

Καθώς το σύστημα μπορεί να ρυθμιστεί κατά μήκος ενός διαβάθμου, θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει κλιμακούμενη ανίχνευση χιρικών μορίων.

“Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε χιρικές μεταδομές όπως η δική μας για να ανιχνεύσουμε, για παράδειγμα, τη σύνθεση ή την καθαρότητα ενός φαρμάκου από μικρού όγκου δείγματα. Θα μπορούσε να κάνει τη διαφορά μεταξύ ενός φαρμάκου και ενός τοξικού υλικού,”

Felix Richter – ερευνητής του Bionanophotonic Systems Lab.

Το πολωμένο φως είναι επίσης πολύ σημαντικό σε προηγμένα συστήματα υπολογιστών που εμφανίζονται ως πιθανή εναλλακτική λύση στα τρέχοντα πυριτίου chips. Αυτό περιλαμβάνει τη φωτονική και την οπτική υπολογιστική, καθώς και την κβαντική υπολογιστική και τη κβαντική φωτονική.

Αυτό το είδος ρυθμιζόμενου χιρικού συστήματος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για περαιτέρω πρόοδο στον έλεγχο του πολωμένου φωτός, αυξάνοντας την ακρίβεια και μειώνοντας το κόστος τέτοιων εργαλείων για νέους τύπους προηγμένων υπολογιστών.

Κορυφαία Δημόσια Εταιρεία Laser & Φωτονικής

Coherent (II-VI Marlow): Ένας ηγέτης στην καινοτομία των λέιζερ

Καθώς η φωτονική και τα μεταϋλικά γίνονται πιο σημαντικά σε πολλές βιομηχανίες, τα κύρια εργαλεία για αυτές τις τεχνικές, τα λέιζερ, επίσης βλέπουν την αγορά τους να αυξάνεται.

Η Coherent είναι ένα μεγάλο βιομηχανικό συγκρότημα με πάνω από 26.000 υπαλλήλους και ηγέτης στην τεχνολογία λέιζερ. Προέκυψε από τη συγχώνευση του προχωρημένου υλικού II-VI Marlow με τον κατασκευαστή λέιζερ Coherent.

Η εταιρεία είναι ειδική στα προχωρημένα υλικά που χρησιμοποιούνται σε λέιζερ, οπτικά και φωτονική, όπως το ινδίου φωσφείδιο, τα επικάλυπτα wafer και το γαλλίου αρσενίου.

Αναπτύχθηκε σημαντικά χάρη σε πολλαπλές εξαγορές την τελευταία δεκαετία, από $600M έσοδα το 2013 έως $4,7 δισεκατομμύρια το 2024.

Η εταιρεία προέρχεται το 29% των εσόδων της απευθείας από λέιζερ, ενώ το υπόλοιπο συνδέεται με συναφή εξοπλισμό όπως οπτικές ίνες και ηλεκτρονικά. Η κατηγορία οργάνων περιλαμβάνει κυρίως εφαρμογές βιοεπιστημών και ιατρικές.

Πηγή: Coherent

Η παρουσία της εταιρείας σε προχωρημένα υλικά όπως η θερμοφωτοβολταϊκή (που συζητήσαμε σε προηγούμενο άρθρο), το πυρίτιο καρβίδιο, τα λέιζερ και τα ηλεκτρονικά, την βοηθά να επωφεληθεί από δομικές τάσεις όπως η ανάπτυξη της ακριβούς κατασκευής, η προσθετική κατασκευή (3D εκτύπωση), η ηλεκτροδότηση και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Η εταιρεία έχει πρόσφατα διαχωρίσει την επιχείρηση πυριτίου καρβιδίου σε νέα οντότητα, με 75% ιδιοκτησία από τη Coherent, ενώ το υπόλοιπο κατέχεται εξίσου από τους εταίρους της Mitsubishi Electric (που φέρνει την τεχνολογία ισχύος πυριτίου καρβιδίου) και Denso (που φέρνει τη δραστηριότητά του ως προμηθευτής αυτοκινήτων στην ηλεκτροδότηση και τα ημιαγωγικά ισχύος).

Αυτό συμβαίνει επειδή το πυρίτιο καρβίδιο γίνεται ολοένα και πιο ανεξάρτητη τεχνολογία, ξεχωριστή από τα λέιζερ, και χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές υψηλής ισχύος όπως τα ηλεκτρικά οχήματα, οι μπαταρίες και η ανανεώσιμη ενέργεια. (Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το πυρίτιο καρβίδιο στην αφιερωμένη επενδυτική μας αναφορά για αυτήν την τεχνολογία.)

Τα λέιζερ της Coherent την καθιστούν ηγέτιδα στο LIDAR και στην 3Δ-ψηφιακή ανίχνευση, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών αυτόνομων οχημάτων, τη βιοτεχνολογία Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, και λέιζερ για κατασκευή ημιαγωγών. Αναμένει ότι οι κύριες αγορές της θα αυξηθούν κατά 8-20%.

Πηγή: Coherent

Άλλες πιθανές νέες εφαρμογές των λέιζερ, όπως τα όπλα άμεσης ενέργειας, η φωτονική υπολογιστική, η πυρηνική σύντηξη και η διαστημική τεχνολογία, θα μπορούσαν επίσης να συμβάλουν στη διατήρηση της μακροπρόθεσμης ανάπτυξης της εταιρείας.

Συνολικά, η Coherent είναι όσο πιο κοντά μπορεί να είναι σε μια «καθαρή» δημόσια εισηγμένη εταιρεία λέιζερ για επενδυτές που ενδιαφέρονται για τον τομέα, με ισχυρή κάθετη ενσωμάτωση και πάνω από 3.100 διπλώματα ευρεσιτεχνίας που προστατεύουν τις καινοτομίες της.

Καθώς η φωτονική προοδεύει, θα αυξήσει σταδιακά τη ζήτηση για υπερ-γρήγορα, υπερ-ακριβή συστήματα λέιζερ, καθώς και για λέιζερ που χρησιμοποιούνται στην οπτική τηλεπικοινωνία.

Τελευταία Νέα και Ανάπτυξη Μετοχών Coherent (COHR)

Μελέτη Αναφοράς

^{1. Sinev, I., Richter, F.U., Toftul, I. et al. Κωδικοποίηση χειροτεχνίας σε κυματικές μεταεπιφάνειες που διέπονται από τις συμμετρίες του πλέγματος. Nature Communications 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}