Πώς οι χειρόμορφες μεταεπιφάνειες μετασχηματίζουν την κωδικοποίηση δεδομένων

Τι είναι η χειρομορφία; Εξερευνώντας την επιστήμη πίσω από τη συμμετρία

Στη φύση, η συμμετρία είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό πολλών πραγμάτων, συμπεριλαμβανομένων των συστατικών του DNA και του ίδιου του φωτός. Είναι πιθανό δύο μόρια σχεδόν πανομοιότυπα μεταξύ τους να διαφέρουν όχι ως προς τη σύνθεση ή το σχήμα τους, αλλά ως προς τον προσανατολισμό τους, μια έννοια που ονομάζεται «χειρομορφία».

Η χειραλικότητα μπορεί να εξηγηθεί στην απλούστερη μορφή της ως ο λόγος για τον οποίο το αριστερό μας χέρι διαφέρει από το δεξί μας χέρι, παρά το γεγονός ότι και τα δύο χέρια είναι πανομοιότυπα στο σχήμα, τη δομή και τη λειτουργία τους.

Η χειραλότητα παίζει θεμελιώδη ρόλο στη βιολογία, με τη φυσική επιλογή να έχει επιλέξει αποκλειστικά «δεξιόχειρα» μόρια DNA, σάκχαρα και αμινοξέα (το βασικό συστατικό των πρωτεϊνών).

Το ίδιο είδος φαινομένου μπορεί να επηρεάζει το φως, το οποίο μπορεί να πολωθεί προς τα αριστερά ή τα δεξιά, αλλάζοντας την κατεύθυνση του ηλεκτρικού του πεδίου.

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

Αυτό είναι ένα πολύ γνωστό φαινόμενο στη φυσική, αλλά μέχρι τώρα ήταν πολύ αδύναμο για να χρησιμοποιηθεί σε πρακτικές εφαρμογές. Αυτό ίσως να είχε αλλάξει χάρη στο έργο ερευνητών της École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Ελβετία), του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας και του Πανεπιστημίου της Νότιας Αυστραλίας.

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Nature Communications¹, υπό τον τίτλο "Κωδικοποίηση χειρομορφίας σε συντονισμένες μεταεπιφάνειες που διέπονται από συμμετρίες πλέγματος".

Πώς τα μετα-άτομα επιτρέπουν ρυθμιζόμενες χειρόμορφες μεταεπιφάνειες

Οι επιστήμονες αναπτύσσουν νέους τύπους υλικών, που ονομάζονται μεταϋλικά, εδώ και μερικές δεκαετίες. Τα μεταϋλικά αποκτούν νέες ιδιότητες που δεν υπάρχουν στη φύση, όχι μόνο από τη σύνθεσή τους, αλλά και από τον τρόπο με τον οποίο έχει σχεδιαστεί η εσωτερική τους δομή.

Τα μετα-άτομα είναι τα μπλοκ από τα οποία κατασκευάζονται τα μεταϋλικά.

Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει δισδιάστατα πλέγματα που αποτελούνται από μικροσκοπικά στοιχεία (τα μετα-άτομα) που μπορούν εύκολα να ρυθμίσουν τις χειρόμορφες ιδιότητές τους.

Πηγή: Φύση

Μεταβάλλοντας τον προσανατολισμό των μετα-ατόμων μέσα σε ένα πλέγμα, οι επιστήμονες μπορούν να ελέγξουν την αλληλεπίδραση της προκύπτουσας μεταεπιφάνειας με το πολωμένο φως.

Πηγή: Φύση

Ένα χειρόμορφο εργαλείο για κωδικοποίηση δεδομένων με βάση το φως

Προηγούμενες προσπάθειες χρήσης της χειραλικότητας για τον έλεγχο της αλληλεπίδρασης με το φως είχαν περιορισμένη επιτυχία. Σε μεγάλο βαθμό, αυτό οφειλόταν σε μια πολύ δύσκολη προσέγγιση, η οποία χρησιμοποιούσε πολύπλοκες γεωμετρίες μετα-ατόμων.

Αντ' αυτού, 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 διφθοριούχο ασβέστιο.

Πηγή: Φύση

Ως αποτέλεσμα, θα μπορούσαν να παράγουν μια προβλέψιμη χειρόμορφη συμπεριφορά, ρυθμιζόμενη από απλές παραμέτρους, δημιουργώντας έτσι ένα καθολικό σύνολο εργαλείων για χειρόμορφο σχεδιασμό κατ' απαίτηση.

Το ανεστραμμένο μοτίβο μεταεπιφάνειας γράφτηκε χρησιμοποιώντας λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων.

Διπλή μετάδοση δεδομένων

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

Πηγή: Φύση

Η «εικόνα μετάδοσης» κωδικοποιήθηκε από το μέγεθος των μετα-ατόμων και μπορούσε να αποκωδικοποιηθεί χρησιμοποιώντας μη πολωμένο φως. Η «χειρόμορφη εικόνα» κωδικοποιήθηκε από τον προσανατολισμό των μετα-ατόμων, που αποκαλύφθηκε όταν εκτέθηκαν σε κυκλικά πολωμένο φως.

«Αυτό το πείραμα ανέδειξε την ικανότητα της τεχνικής μας να παράγει ένα διπλό «υδατογράφημα» αόρατο στο ανθρώπινο μάτι, ανοίγοντας τον δρόμο για προηγμένες εφαρμογές κατά της παραποίησης, καμουφλάζ και ασφάλειας».

Ιβάν Σίνεφ - Ερευνητής Εργαστηρίου Βιονανοφωτονικών Συστημάτων.

Το φως που χρησιμοποιήθηκε ήταν στη μέση της υπέρυθρης περιοχής, καθιστώντας το σχετικά οικονομικό και εύχρηστο.

Εφαρμογές της Τεχνολογίας Χειρομορφικής Κωδικοποίησης στον Πραγματικό Κόσμο

Το πρώτο πεδίο εφαρμογής αυτής της τεχνολογίας είναι η προηγμένη κρυπτογράφηση, η προσθήκη ετικετών και άλλα μέτρα κατά της παραποίησης/απομίμησης.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, ένα μοναδικό και μυστικό επίπεδο κωδικοποίησης, εφικτό μόνο με αυτό το χειρόμορφο εργαλείο διαθέσιμο, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πιστοποίηση της αυθεντικότητας τραπεζογραμματίων, ταυτοτήτων, συστημάτων πληρωμών και άλλων συστημάτων ταυτοποίησης.

Μια άλλη επιλογή θα μπορούσε να είναι η χρήση αυτής της τεχνικής για τη δημιουργία αισθητήρων ευαίσθητων σε χειρόμορφες δομές. Καθώς τα περισσότερα βιολογικά μόρια είναι χειρόμορφα, αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση μεταξύ αριστερόστροφων και δεξιόστροφων βιομορίων.

Πηγή: Φύση

Καθώς το σύστημα μπορεί να συντονιστεί κατά μήκος μιας κλίσης, θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει την κλιμακωτή ανίχνευση των χειρόμορφων μορίων.

«Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε χειρόμορφες μεταδομές όπως η δική μας για να ανιχνεύσουμε, για παράδειγμα, τη σύνθεση ή την καθαρότητα ενός φαρμάκου από δείγματα μικρού όγκου. Αυτό θα μπορούσε να κάνει τη διαφορά μεταξύ ενός φαρμάκου και μιας τοξίνης».

Φέλιξ Ρίχτερ - Ερευνητής του Εργαστηρίου Βιονανοφωτονικών Συστημάτων.

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

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

Κορυφαία εισηγμένη στο χρηματιστήριο εταιρεία λέιζερ και φωτονικής

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

Καθώς η φωτονική και τα μεταϋλικά αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη σημασία σε πολλούς κλάδους, τα κύρια εργαλεία για αυτές τις τεχνικές, τα λέιζερ, βλέπουν επίσης την αγορά τους να αναπτύσσεται.

Η Coherent είναι ένας μεγάλος βιομηχανικός όμιλος με πάνω από 26,000 υπαλλήλους και ηγέτη στην τεχνολογία λέιζερ. Προέκυψε από τη συγχώνευση της προηγμένης εταιρείας υλικών II-VI Marlow με τον κατασκευαστή λέιζερ Coherent.

Η εταιρεία είναι ειδικός σε προηγμένα υλικά που χρησιμοποιούνται στα λέιζερ, την οπτική και τη φωτονική, όπως το φωσφίδιο του ινδίου, οι επιταξιακές γκοφρέτες και το αρσενίδιο του γαλλίου.

Αυξήθηκε σε μεγάλο βαθμό χάρη σε πολλαπλές εξαγορές την τελευταία δεκαετία, από έσοδα 600 εκατομμυρίων δολαρίων το 2013 σε 4.7 δισεκατομμύρια δολάρια το 2024.

Η εταιρεία αντλεί το 29% των εσόδων της απευθείας από τα λέιζερ, ενώ το υπόλοιπο συνδέεται με σχετικό εξοπλισμό όπως οπτικές ίνες και ηλεκτρονικά. Η κατηγορία των οργάνων περιλαμβάνει κυρίως τις βιοεπιστήμες και τις ιατρικές εφαρμογές.

Πηγή: Συναφής

Η παρουσία της εταιρείας σε προηγμένα υλικά όπως τα θερμοφωτοβολταϊκά (τα οποία συζητήσαμε σε προηγούμενο άρθρο), το καρβίδιο του πυριτίου, τα λέιζερ και τα ηλεκτρονικά τη βοηθούν να επωφεληθεί από διαρθρωτικές τάσεις όπως η ανάπτυξη της ακριβούς κατασκευής, η προσθετική κατασκευή (τρισδιάστατη εκτύπωση), η ηλεκτροδότηση και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Η εταιρεία έχει πρόσφατα διαχώρισε την επιχείρησή της στον τομέα του καρβιδίου του πυριτίου σε μια νέα οντότητα, η οποία ανήκει κατά 75% στην Coherent, με το υπόλοιπο να ανήκει εξίσου στους εταίρους της, Mitsubishi Electric (που φέρνει IP ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου) και Denso (που φέρνει τη δραστηριότητά της ως προμηθευτής αυτοκινήτων στον τομέα της ηλεκτροκίνησης και των ημιαγωγών ισχύος).

Αυτό συμβαίνει επειδή το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί ολοένα και περισσότερο ανεξάρτητη τεχνολογία, ξεχωριστή από το λέιζερ, και χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές υψηλής ισχύος όπως ηλεκτρικά οχήματα, μπαταρίες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. (Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για καρβίδιο του πυριτίου στην ειδική μας έκθεση επενδύσεων σχετικά με αυτήν την τεχνολογία.)

Τα λέιζερ της Coherent την καθιστούν κορυφαία σε LIDAR και 3D-ψηφιακή ανίχνευση, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών αυτόνομης οδήγησης, βιοτεχνολογία Κυψέλες ροής αλληλουχίας επόμενης γενιάς (NGS).και λέιζερ για την κατασκευή ημιαγωγώνΑναμένει ότι οι κύριες αγορές της θα αναπτυχθούν κατά 8-20%.

Πηγή: Συναφής

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

Συνολικά, η Coherent είναι όσο πιο κοντά μπορεί να φτάσει σε μια εταιρεία λέιζερ που είναι εισηγμένη στο χρηματιστήριο για επενδυτές που ενδιαφέρονται για τον κλάδο, με ισχυρή κάθετη ολοκλήρωση και 3,100+ πατέντες που προστατεύουν τις καινοτομίες της.

Καθώς η φωτονική εξελίσσεται, θα αυξηθεί προοδευτικά η ζήτηση για εξαιρετικά γρήγορα, εξαιρετικά ακριβή συστήματα λέιζερ, καθώς και για λέιζερ που χρησιμοποιούνται στις οπτικές τηλεπικοινωνίες.

Τελευταία Νέα και Εξελίξεις για τις Μετοχές Coherent (COHR)

Μελέτη στην οποία έγινε αναφορά

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et αϊ. Κωδικοποίηση χειρομορφίας σε συντονισμένες μεταεπιφάνειες που διέπονται από συμμετρίες πλέγματος. Natρολόγια Κομμπληροφορίεςσελ. 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}