Ciencia material
Cómo las metasuperficies quirales están transformando la codificación de datos
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¿Qué es la quiralidad? Explorando la ciencia detrás de la simetría
En la naturaleza, la simetría es una característica fundamental de muchos elementos, incluyendo los componentes del ADN y la propia luz. Es posible que dos moléculas casi idénticas difieran no en su composición o forma, sino en su orientación, un concepto denominado «quiralidad».
La quiralidad se puede explicar en su forma más simple como la razón por la que nuestra mano izquierda difiere de nuestra mano derecha, a pesar de que ambas manos son idénticas en su forma, estructura y función.
La quiralidad juega un papel fundamental en la biología, ya que la selección natural ha seleccionado exclusivamente moléculas de ADN “diestras”, azúcar y aminoácidos (el componente base de las proteínas).
El mismo tipo de fenómeno puede ocurrir con la luz, que puede polarizarse hacia la izquierda o hacia la derecha, cambiando la dirección de su campo eléctrico.
Al exponer una molécula quiral a la luz polarizada, la reacción difiere dependiendo de la dirección de la polarización de la luz.
Este es un fenómeno bien conocido en física, pero hasta ahora era demasiado débil para su uso práctico. Esto podría haber cambiado gracias al trabajo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza), la Universidad Nacional Australiana y la Universidad de Australia del Sur.
Publicaron sus resultados en Nature Communications1, bajo el título "Codificación de quiralidad en metasuperficies resonantes gobernadas por simetrías reticulares.
Cómo los metaátomos permiten metasuperficies quirales ajustables
Los científicos llevan décadas desarrollando nuevos tipos de materiales, llamados metamateriales. Estos obtienen nuevas propiedades que no se encuentran en la naturaleza, no solo por su composición, sino por el diseño de su estructura interna.
Los metaátomos son los bloques a partir de los cuales se forman los metamateriales.
Los investigadores han desarrollado redes 2D compuestas de elementos diminutos (los metaátomos) que pueden ajustar fácilmente sus propiedades quirales.
Fuente: Nature
Al variar la orientación de los metaátomos dentro de una red, los científicos pueden controlar la interacción de la metasuperficie resultante con la luz polarizada.
Fuente: Nature
Un conjunto de herramientas quirales para la codificación de datos basada en luz
Los intentos previos de usar la quiralidad para controlar la interacción con la luz tuvieron un éxito limitado. Esto se debió, en gran medida, a un enfoque demasiado complejo, que utilizaba geometrías metaatómicas muy complejas.
En cambio, los investigadores suizos y australianos aprovecharon la interacción entre la forma de los metaátomos y la simetría de la red. Utilizaron una metasuperficie de germanio y difluoruro de calcio.
Fuente: Nature
Como resultado, podrían producir un comportamiento quiral predecible, ajustable mediante parámetros simples, creando así un conjunto de herramientas universal para el diseño quiral a pedido.
El patrón de metasuperficie invertida se escribió utilizando litografía por haz de electrones.
Transmisión dual de datos
Como prueba de concepto, los investigadores crearon una imagen con dos capas de datos codificadas por una metasuperficie, una con luz normal y otra con luz polarizada.
Fuente: Nature
La «imagen de transmisión» se codificó por el tamaño de los metaátomos y pudo decodificarse mediante luz no polarizada. La «imagen quiral» se codificó por la orientación de los metaátomos, revelada al exponerlos a luz polarizada circularmente.
“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 anti-falsificación, camuflaje y seguridad”.
Iván Sinev – Investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.
La luz utilizada estaba en el medio del rango infrarrojo, lo que la hacía relativamente económica y fácil de usar.
Aplicaciones reales de la tecnología de codificación quiral
El primer campo de aplicación de esta tecnología es el cifrado avanzado, el etiquetado y otras medidas contra la falsificación.
Utilizando esta técnica, se podría utilizar un nivel de codificación único y secreto, solo factible con este conjunto de herramientas quirales a mano, para certificar la autenticidad de billetes bancarios, tarjetas de identificación, sistemas de pago y otros sistemas de identificación.
Otra opción podría ser utilizar esta técnica para crear sensores sensibles a las estructuras quirales. Dado que la mayoría de las moléculas biológicas son quirales, esto podría utilizarse para distinguir entre biomoléculas levógiras y dextrógiras.
Fuente: Nature
Como el sistema se puede ajustar a lo largo de un gradiente, también podría permitir la detección escalable de moléculas quirales.
Podemos usar metaestructuras quirales como la nuestra para detectar, por ejemplo, la composición o la pureza de un fármaco en muestras de pequeño volumen. Podría marcar la diferencia entre un medicamento y una toxina.
Félix Richter – Investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.
La luz polarizada también es fundamental en los sistemas informáticos avanzados que emergen como una posible alternativa a los chips de silicio actuales. Esto incluye la fotónica y la computación óptica, así como la computación cuántica y la fotónica cuántica.
Este tipo de sistema quiral ajustable podría utilizarse para lograr mayores avances en el control de la luz polarizada, aumentando la precisión y reduciendo el coste de dichas herramientas para nuevos tipos de computación avanzada.
| Área de aplicación | Descripción | Posibles casos de uso |
|---|---|---|
| Anti-falsificación | La codificación de luz de doble capa crea marcas de agua invisibles | Billetes, documentos de identidad, sistemas de autenticación |
| Detección biológica | Puede diferenciar entre moléculas quirales (formas zurdas y diestras) | Composición de fármacos, pruebas de pureza |
| Fotónica y Computación | El control de polarización ajustable mejora los sistemas ópticos y cuánticos | Computación fotónica, criptografía cuántica |
| Seguridad y camuflaje | Patrones invisibles revelados solo bajo luz polarizada | Sistemas de ocultación e identificación de grado militar |
Empresa líder en láser y fotónica que cotiza en bolsa
Coherente (II-VI Marlow):Un líder en innovación láser
(COHR )
A medida que la fotónica y los metamateriales adquieren mayor importancia en muchas industrias, las principales herramientas para estas técnicas, los láseres, también están viendo crecer su mercado.
Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26,000 empleados y líder en tecnología láser. Surgió de la fusión de Advanced Material II-VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.
La empresa es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio.
Creció en gran medida gracias a múltiples adquisiciones durante la última década, de 600 millones de dólares en ingresos en 2013 a 4.7 millones de dólares en 2024.
La empresa obtiene el 29% de sus ingresos directamente de los láseres, y el resto se vincula a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación abarca principalmente aplicaciones médicas y de ciencias de la vida.
Fuente: Coherente
La presencia de la empresa en materiales avanzados como la termofotovoltaica (que discutimos en un artículo anterior), el carburo de silicio, los láseres y la electrónica le ayudan a beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.
La compañía tiene Recientemente separó su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, propiedad en un 75% de Coherent, y el resto es propiedad en partes iguales de sus socios Mitsubishi Electric (que aporta propiedad intelectual sobre carburo de silicio) y Denso (que aporta su actividad como proveedor de automoción en electrificación y semiconductores de potencia).
Esto se debe a que el carburo de silicio es cada vez más una tecnología propia, separada del láser, y se utiliza principalmente en aplicaciones de alta potencia, como vehículos eléctricos, baterías y energías renovables. (Puedes leer más sobre carburo de silicio en nuestro informe de inversión dedicado a esta tecnología.)
Los láseres de Coherent lo convierten en líder en LIDAR y detección digital 3D, incluidas aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología Celdas de flujo para secuenciación de próxima generación (NGS) y Láseres para la fabricación de semiconductoresEspera que sus principales mercados crezcan entre un 8 y un 20%.
Fuente: Coherente
Otras posibles nuevas aplicaciones de los láseres, como las armas de energía directa, la computación fotónica, la fusión nuclear y la tecnología espacial, podrían ayudar igualmente a sostener el crecimiento a largo plazo de la empresa.
En general, Coherent es lo más cercano que puede llegar a ser una empresa de láser “pure play” que cotiza en bolsa 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 avanza la fotónica, aumentará progresivamente la demanda de sistemas láser ultrarrápidos y ultraprecisos, así como de láseres utilizados en telecomunicaciones ópticas.
Últimas noticias y desarrollos de acciones de Coherent (COHR)
Estudio referenciado
1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Codificación de quiralidad en metasuperficies resonantes gobernadas por simetrías reticulares. NatUre Comunicaciónartículo 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2
