Cómo las Metasuperficies Quirales están Transformando la Codificación de Datos

¿Qué es la quiralidad? Explorando la ciencia detrás de la simetría

En la naturaleza, la simetría es una característica fundamental de muchas cosas, incluidos los componentes del ADN y la propia luz. Es posible que dos moléculas casi idénticas entre sí difieran no en su composición o forma, sino en su orientación, un concepto llamado “quiralidad”.

La quiralidad puede explicarse en su forma más simple como la razón por la que nuestra mano izquierda difiere de la derecha, a pesar de que ambas manos son idénticas en forma, estructura y función.

La quiralidad juega un papel fundamental en la biología, ya que la selección natural ha seleccionado exclusivamente moléculas de ADN, azúcares y aminoácidos “dextrógiras” (el componente base de las proteínas).

El mismo tipo de fenómeno puede ocurrir con la luz, que puede polarizarse hacia la izquierda o la derecha, cambiando la dirección de su campo eléctrico.

Al exponer una molécula quiral a luz polarizada, la reacción difiere según la dirección de la polarización de la luz.

Este es un fenómeno bien conocido en física, pero hasta ahora era demasiado débil para ser utilizado en aplicaciones prácticas. Esto podría haber cambiado gracias al trabajo de investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Suiza), la Australian National University y la University of South Australia.

Publicaron sus resultados en Nature Communications¹, bajo el título “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Cómo los meta‑átomos habilitan metasuperficies quirales sintonizables

Los científicos han estado desarrollando nuevos tipos de materiales, llamados metamateriales, durante unas cuantas décadas. Los metamateriales obtienen propiedades nuevas que no se encuentran en la naturaleza, no solo por su composición, sino por cómo se diseña su estructura interna.

Los meta‑átomos son los bloques de los que están hechos los metamateriales.

Los investigadores han desarrollado retículas 2D compuestas de diminutos elementos (los meta‑átomos) que pueden sintonizar fácilmente sus propiedades quirales.

Fuente: Nature

Al variar la orientación de los meta‑átomos dentro de una retícula, los científicos pueden controlar la interacción de la metasuperficie resultante con la luz polarizada.

Fuente: Nature

Un kit quiral para la codificación de datos basada en luz

Intentos previos de usar la quiralidad para controlar la interacción con la luz tuvieron éxito limitado. En gran parte, esto se debió a un enfoque demasiado complejo, que utilizaba geometrías de meta‑átomos muy complicadas.

En su lugar, los investigadores suizos y australianos aprovecharon la interacción entre la forma de los meta‑átomos y la simetría de la retícula. Utilizaron una metasuperficie hecha de germanio y difluoruro de calcio.

Fuente: Nature

Como resultado, pudieron producir un comportamiento quiral predecible, sintonizable mediante parámetros simples, creando así un kit universal para el diseño quiral bajo demanda.

El patrón de la metasuperficie invertida se escribió mediante litografía de haz de electrones.

Transmisión de datos dual

Como prueba de concepto, los investigadores crearon una imagen con 2 capas de datos codificados por una metasuperficie, una con luz normal y otra con luz polarizada.

Fuente: Nature

La “imagen de transmisión” se codificó mediante el tamaño de los meta‑átomos y pudo decodificarse usando luz no polarizada. La “imagen quiral” se codificó mediante la orientación de los meta‑átomos, revelándose al exponerse a luz circularmente polarizada.

“Este experimento demostró la capacidad de nuestra técnica para producir una ‘marca de agua’ de doble capa invisible al ojo humano, allanando el camino para aplicaciones avanzadas de anticounterfeiting, camuflaje y seguridad,”

Ivan Sinev – investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.

La luz utilizada estaba en la parte media del rango infrarrojo, lo que la hace relativamente de bajo costo y fácil de usar.

Aplicaciones reales de la tecnología de codificación quiral

El primer campo de aplicación de esta tecnología es para encriptación avanzada, etiquetado y otras medidas anticounterfeiting.

Con esta técnica, un nivel único y secreto de codificación, solo posible con este kit quiral a mano, podría usarse para certificar la autenticidad de billetes, tarjetas de identificación, sistemas de pago y otros sistemas de identificación.

Otra opción podría ser usar esta técnica para crear sensores sensibles a estructuras quirales. Dado que la mayoría de las moléculas biológicas son quirales, esto podría emplearse para distinguir entre biomoléculas dextrógiras y levógiras.

Fuente: Nature

Como el sistema puede sintonizarse a lo largo de un gradiente, también podría permitir una detección escalable de moléculas quirales.

“Podemos usar metastructuras quirales como la nuestra para detectar, por ejemplo, la composición o pureza de fármacos a partir de muestras de pequeño volumen. Podría marcar la diferencia entre un medicamento y una toxina,”

Felix Richter – investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.

La luz polarizada también es muy importante en sistemas de computación avanzada que emergen como una alternativa potencial a los chips de silicio actuales. Esto incluye fotónica y computación óptica, así como computación cuántica y fotónica cuántica.

Este tipo de sistema quiral sintonizable podría usarse para avanzar en el control de la luz polarizada, aumentando la precisión y reduciendo el costo de dichas herramientas para nuevos tipos de computación avanzada.

Empresa pública líder en láseres y fotónica

Coherent (II-VI Marlow): Un líder en innovación láser

A medida que la fotónica y los metamateriales se vuelven más importantes en muchas industrias, las herramientas principales para estas técnicas, los láseres, también están viendo crecer su mercado.

Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26 000 empleados y un líder en tecnología láser. Resultó de la fusión del avanzado material II‑VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.

La compañía es experta en materiales avanzados usados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio.

Creció sustancialmente gracias a múltiples adquisiciones durante la última década, pasando de 600 M USD en ingresos en 2013 a 4,7 B USD en 2024.

La empresa obtiene el 29 % de sus ingresos directamente de láseres, y el resto está vinculado a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación incluye mayormente aplicaciones de ciencias de la vida y médicas.

Fuente: Coherent

La presencia de la compañía en materiales avanzados como termofotovoltaicos (que discutimos en un artículo anterior), carburo de silicio, láseres y electrónica le permite beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.

La empresa ha separado recientemente su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, propiedad al 75 % de Coherent, con el resto propiedad en partes iguales de sus socios Mitsubishi Electric (aportando la propiedad intelectual de potencia de carburo de silicio) y Denso (aportando su actividad como proveedor automotriz en electrificación y semiconductores de potencia).

Esto se debe a que el carburo de silicio se está convirtiendo cada vez más en una tecnología propia, separada del láser, y se usa mayormente en aplicaciones de alta potencia como vehículos eléctricos, baterías y energía renovable. (Puede leer más sobre carburo de silicio en nuestro informe de inversión dedicado a esta tecnología.)

Los láseres de Coherent la convierten en un líder en LIDAR y detección digital 3D, incluidas aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología celdas de flujo de secuenciación de nueva generación (NGS), y láseres para la fabricación de semiconductores. Espera que sus principales mercados crezcan entre un 8 % y un 20 %.

Fuente: Coherent

Otras posibles nuevas aplicaciones de los láseres, como armas de energía directa, computación fotónica, fusión nuclear y tecnología espacial, podrían también ayudar a sostener el crecimiento a largo plazo de la compañía.

En conjunto, Coherent es lo más cercano a una empresa “pure play” cotizada en bolsa dedicada a los láseres para los inversores interesados en el sector, con una fuerte integración vertical y más de 3 100 patentes que protegen sus innovaciones.

A medida que la fotónica avanza, incrementará progresivamente la demanda de sistemas láser ultra‑rápidos y ultra‑precisos, así como de láseres usados en telecomunicaciones ópticas.

Últimas noticias y desarrollos de la acción Coherent (COHR)

Estudio referenciado

^{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}