Miten kierteiset metasurfacet muuttavat datakoodausta

Mikä on kierteisyys? Tutkimus symmetrian takana olevasta tieteestä

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”.

Kierteisyys voidaan selittää yksinkertaisimmillaan syynä siihen, miksi vasen kätemme eroaa oikeasta kädestä, vaikka molemmat kädet ovat identtisiä muodoltaan, rakenteeltaan ja toiminnaltaan.

Kierteisyys näyttelee perustavaa roolia biologiassa, sillä luonnonvalinta on valinnut yksinomaan “oikeakätiset” DNA-molekyylit, sokerit ja aminohapot (proteiinin peruskomponentit).

Samanlainen ilmiö voi esiintyä myös valossa, joka voi olla polarisoitu vasemmalle tai oikealle, muuttaen sen sähkökentän suuntaa.

Kun kierteinen molekyyli altistetaan polarisoidulle valolle, reaktio eroaa valon polarisaation suunnan mukaan.

Tämä on tunnettu ilmiö fysiikassa, mutta tähän asti se oli liian heikko käytännön sovelluksiin. Tämä on saattanut muuttua kiitos EPFL:n (Sveitsi), Australian National Universityn ja South Australian Universityn tutkijoiden työn.

He julkaisi tuloksensa Nature Communications¹, otsikolla “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Kuinka meta-atomit mahdollistavat säädettävät kierteiset metasurfacet

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.

Meta-atomit ovat rakennuspalikoita, joista metamateriaalit koostuvat.

Tutkijat ovat kehittäneet 2D-ristikoita, jotka koostuvat pienistä elementeistä (meta-atomit) ja joiden kierteisiä ominaisuuksia voidaan helposti säätää.

Lähde: Nature

Säätämällä meta-atomien suuntausta ristikossa, tutkijat voivat hallita syntyvän metasurfacen vuorovaikutusta polarisoidun valon kanssa.

Lähde: Nature

Kierteinen työkalupakki valoon perustuvaan datakoodaukseen

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.

Sen sijaan sveitsiläiset ja australialaiset tutkijat hyödynsivät meta-atomien muodon ja ristikon symmetrian välistä vuorovaikutusta. He käyttivät metasurfacet, joka oli valmistettu germaniumista ja kalsiumdifluoridista.

Lähde: Nature

Tuloksena he pystyivät tuottamaan ennustettavan kierteisen käyttäytymisen, jota voidaan säätää yksinkertaisilla parametreilla, luoden näin universaalin työkalupakin kierteisen suunnittelun tarpeeseen.

The inverted metasurface pattern was written using electron beam lithography.

Kaksoisdatan siirto

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.

Lähde: Nature

The “transmission image” was encoded by the size of the meta atoms, and could be decoded using unpolarized light. The “chiral image” was encoded by the orientation of the meta atoms, revealed when exposed to circularly polarized light.

“This experiment showcased our technique’s ability to produce a dual layer ‘watermark’ invisible to the human eye, paving the way for advanced anticounterfeiting, camouflage and security applications,”Ivan Sinev – Bionanophotonics Systems Lab -tutkija.

The light used was in the middle of the infrared range, making it relatively low-cost and easy to use.

Kierteisen koodaustekniikan todelliset sovellukset

The first field of application of this technology is for advanced encryption, tagging, and other anticounterfeiting measures.

Using this technique, a unique and secret level of encoding, only doable with this chiral toolkit on hand, could be used to certify the authenticity of bank notes, ID cards, payment systems, and other identification systems.

Another option could be to use this technique to create sensors sensitive to chiral structures. As most biological molecules are chiral, this could be used in distinguishing between left- and right-handed biomolecules.

Lähde: Nature

As the system can be tuned along a gradient, it could also allow for scalable sensing of chiral molecules.

“We can use chiral metastructures like ours to sense, for example, drug composition or purity from small-volume samples. It could make the difference between a medicine and a toxin,”Felix Richter – Bionanophotonic Systems Lab -tutkija.

Polarized light is also very important in advanced computing systems emerging as a potential alternative to current silicon chips. This includes photonics and optical computing, as well as quantum computing and quantum photonics.

This sort of tunable chiral system could be used to make further progress in the control of polarized light, increasing the precision and reducing the cost of such tools for new types of advanced computing.

Parhaat julkisesti noteeratut laser- ja fotoniikkayritykset

Coherent (II-VI Marlow): Laserinnovaation johtaja

Kun fotoniikka ja metamateriaalit tulevat yhä tärkeämmiksi monilla toimialoilla, näiden tekniikoiden päävälineet, laserit, näkevät myös markkinansa kasvavan.

Coherent on suuri teollisuuskonglomeraatti, jossa on yli 26 000 työntekijää, ja se on laseriteknologian johtaja. Se syntyi fuusiosta edistyneen materiaalin II-VI (COHR ) Marlowin ja laserivalmistajan Coherentin välillä.

Yritys on asiantuntija edistyneissä materiaaleissa, joita käytetään laseissa, optiikassa ja fotoniikassa, kuten indiumfosfidissa, epitaksiaalisissa wafer-levyissä ja galliumarsenidissa.

Se kasvoi merkittävästi useiden yritysostojen ansiosta viimeisen vuosikymmenen aikana, liikevaihdosta 600 miljoonaa dollaria vuonna 2013 4,7 miljardiin dollariin vuonna 2024.

Yritys saa 29 % liikevaihdostaan suoraan laseista, ja loput liittyvät oheislaitteisiin, kuten optisiin kuituihin ja elektroniikkaan. Instrumentaatiokategoria sisältää enimmäkseen elintieteet ja lääketieteelliset sovellukset.

Lähde: Coherent

Yrityksen läsnäolo edistyneissä materiaaleissa, kuten termofotovoltaikassa (josta keskustelimme aiemmassa artikkelissa), piisilikonkarbidi, laseissa ja elektroniikassa, auttaa sitä hyötymään rakenteellisista trendeistä, kuten tarkkuustuotannon, lisäainevalmistuksen (3D-tulostus), sähköistymisen ja uusiutuvien energioiden kasvusta.

Yritys on äskettäin eriyttänyt piisilikonkarbidi-liiketoimintansa uudeksi yksiköksi, jonka 75 % omistaa Coherent, ja loput omistavat tasan sen kumppanit Mitsubishi Electric (tuoden piisilikonkarbidin teho-IP:t) ja Denso (tuoden sen toiminnan automaattitoimittajana sähköistymisen ja tehoelektroniikan alalla).

Tämä johtuu siitä, että piisilikonkarbidi kehittyy yhä omaksi teknologikseen, erillään laserista, ja sitä käytetään pääasiassa suuritehoisissa sovelluksissa, kuten sähköautoissa, akkuissa ja uusiutuvassa energiassa. (Voit lukea lisää piisilikonkarbidista omassa sijoitusraportissamme tästä teknologiasta.)

Coherentin laserit tekevät siitä johtajan LIDAR- ja 3D-digitaalisessa tunnistuksessa, mukaan lukien itseohjautuvat sovellukset, bioteknologian seuraavan sukupolven sekvensoinnin (NGS) virtauskennoissa, sekä laserit puolijohdeteollisuuden valmistukseen. Se odottaa päämarkkinoidensa kasvavan 8–20 %.

Lähde: Coherent

Muut mahdolliset uudet laser-sovellukset, kuten suorat energiasodat, fotoninen laskenta, ydinfuusio ja avaruusteknologia, voivat kaikki tasaisesti tukea yrityksen pitkän aikavälin kasvua.

Kokonaisuudessaan Coherent on lähimpänä “puhdasta” julkisesti noteerattua laseriyritystä sijoittajille, jotka ovat kiinnostuneita alasta, vahvan pystysuoran integraation ja yli 3 100 patentin suojaten sen innovaatioita.

Kun fotoniikka kehittyy, se lisää asteittain kysyntää erittäin nopeille, erittäin tarkkoille lasersysteemeille sekä optisessa televiestinnässä käytettäville laseille.

Viimeisimmät Coherent (COHR) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{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://www.coherent.com/news/blog/digital-3d-sensing}