Comment les métasurfaces chirales transforment l’encodage des données

Qu’est‑ce que la chiralité ? Explorer la science derrière la symétrie

Dans la nature, la symétrie est une caractéristique fondamentale de nombreuses choses, y compris les composants de l’ADN et la lumière elle‑même. Il est possible que deux molécules presque identiques diffèrent non pas par leur composition ou leur forme, mais par leur orientation, un concept appelé « chiralité ».

La chiralité peut être expliquée de façon la plus simple comme la raison pour laquelle notre main gauche diffère de notre main droite, bien que les deux mains soient identiques en forme, structure et fonction.

La chiralité joue un rôle fondamental en biologie, la sélection naturelle ayant choisi exclusivement des molécules d’ADN, de sucre et d’acides aminés « dextrogyres » (à droite).

Le même type de phénomène peut se produire avec la lumière, qui peut être polarisée vers la gauche ou vers la droite, modifiant la direction de son champ électrique.

Lorsqu’on expose une molécule chirale à une lumière polarisée, la réaction diffère selon la direction de la polarisation de la lumière.

C’est un phénomène bien connu en physique, mais jusqu’à présent il était trop faible pour être utilisé dans des applications pratiques. Cela a pu changer grâce aux travaux de chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Suisse), de l’Australian National University et de l’Université d’Australie du Sud.

Ils ont publié leurs résultats dans *Nature Communications*¹, sous le titre « Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries ».

Comment les méta‑atomes permettent des métasurfaces chirales réglables

Les scientifiques développent depuis quelques décennies de nouveaux types de matériaux, appelés métamatériaux. Les métamatériaux acquièrent de nouvelles propriétés inexistantes dans la nature, non pas grâce à leur composition seule, mais grâce à la façon dont leur structure interne est conçue.

Les méta‑atomes sont les blocs à partir desquels les métamatériaux sont construits.

Les chercheurs ont mis au point des réseaux 2D composés de minuscules éléments (les méta‑atomes) qui peuvent facilement ajuster leurs propriétés chirales.

Source: Nature

En faisant varier l’orientation des méta‑atomes au sein d’un réseau, les scientifiques peuvent contrôler l’interaction de la métasurface résultante avec la lumière polarisée.

Source: Nature

Une boîte à outils chirale pour l’encodage de données basé sur la lumière

Les tentatives antérieures d’utilisation de la chiralité pour contrôler l’interaction avec la lumière avaient un succès limité. En grande partie, cela était dû à une approche trop difficile, utilisant des géométries de méta‑atomes très complexes.

À la place, les chercheurs suisses et australiens ont exploité l’interaction entre la forme des méta‑atomes et la symétrie du réseau. Ils ont utilisé une métasurface faite de germanium et de difluorure de calcium.

Source: Nature

En conséquence, ils ont pu produire un comportement chiral prévisible, réglable par des paramètres simples, créant ainsi une boîte à outils universelle pour la conception chirale à la demande.

Le motif de métasurface inversé a été écrit à l’aide de la lithographie par faisceau d’électrons.

Transmission de données double

À titre de preuve de concept, les chercheurs ont créé une image avec 2 couches de données encodées par une métasurface, l’une avec lumière normale et l’autre avec lumière polarisée.

Source: Nature

L’« image de transmission » était encodée par la taille des méta‑atomes et pouvait être décodée avec de la lumière non polarisée. L’« image chirale » était encodée par l’orientation des méta‑atomes, révélée lorsqu’on l’expose à une lumière circulairement polarisée.

« Cette expérience a démontré la capacité de notre technique à produire un « filigrane » à double couche invisible à l’œil humain, ouvrant la voie à des applications avancées d’anti‑contrefaçon, de camouflage et de sécurité »,
Ivan Sinev – chercheur au Bionanophotonics Systems Lab.

La lumière utilisée était au milieu du spectre infrarouge, ce qui la rend relativement peu coûteuse et facile à exploiter.

Applications réelles de la technologie d’encodage chiral

Le premier domaine d’application de cette technologie concerne le chiffrement avancé, le marquage et d’autres mesures d’anti‑contrefaçon.

Grâce à cette technique, un niveau d’encodage unique et secret, réalisable uniquement avec cette boîte à outils chirale, pourrait être utilisé pour certifier l’authenticité des billets de banque, des cartes d’identité, des systèmes de paiement et d’autres systèmes d’identification.

Une autre option serait d’utiliser cette technique pour créer des capteurs sensibles aux structures chirales. Comme la plupart des molécules biologiques sont chirales, cela pourrait servir à distinguer les biomolécules gauches des biomolécules droites.

Source: Nature

Comme le système peut être réglé le long d’un gradient, il pourrait également permettre une détection évolutive des molécules chirales.

« Nous pouvons utiliser des métastructures chirales comme la nôtre pour détecter, par exemple, la composition ou la pureté d’un médicament à partir d’échantillons de petit volume. Cela pourrait faire la différence entre un médicament et un toxique »,
Felix Richter – chercheur au Bionanophotonic Systems Lab.

La lumière polarisée est également très importante dans les systèmes informatiques avancés qui émergent comme alternative potentielle aux puces en silicium actuelles. Cela inclut la photonique et le calcul optique, ainsi que l’informatique quantique et la photonique quantique.

Ce type de système chiral réglable pourrait être utilisé pour faire progresser le contrôle de la lumière polarisée, augmentant la précision et réduisant le coût de ces outils pour de nouveaux types de calcul avancé.

Meilleure entreprise cotée de lasers & photonique

Coherent (II-VI Marlow): Un leader de l'innovation laser

À mesure que la photonique et les métamatériaux gagnent en importance dans de nombreuses industries, les principaux outils de ces techniques, les lasers, voient également leur marché croître.

Coherent est un grand conglomérat industriel de plus de 26 000 employés et un leader de la technologie laser. Il résulte de la fusion du matériau avancé II‑VI (COHR ) Marlow avec le fabricant de lasers Coherent.

L’entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l’optique et la photonique, tels que le phosphure d’indium, les wafers épitaxiaux et le gallium arséniure.

Elle a surtout grandi grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie, passant de 600 M$ de chiffre d’affaires en 2013 à 4,7 M$ en 2024.

Coherent tire 29 % de ses revenus directement des lasers, le reste étant lié à des équipements associés comme les fibres optiques et l’électronique. La catégorie instrumentation comprend principalement les sciences de la vie et les applications médicales.

Source: Coherent

La présence de l’entreprise dans les matériaux avancés comme les thermophotovoltaiques (dont nous avons parlé dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l’électronique lui permet de profiter de tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, la fabrication additive (impression 3D), l’électrification et les énergies renouvelables.

L’entreprise a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant détenu à parts égales par ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle du carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile dans l’électrification et les semi‑conducteurs de puissance).

Cela s’explique parce que le carbure de silicium devient de plus en plus une technologie autonome, séparée du laser, principalement utilisée dans les applications à haute puissance comme les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables. (Vous pouvez en lire davantage sur le carbure de silicium dans notre rapport d’investissement dédié à cette technologie).

Les lasers de Coherent en font un leader dans le LIDAR et le capteur 3D numérique, y compris pour les applications de conduite autonome, la biotechnologie Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, et les lasers pour la fabrication de semi‑conducteurs. Elle prévoit que ses principaux marchés croîtront de 8 à 20 %.

Source: Coherent

D’autres applications potentielles des lasers, comme les armes à énergie directe, le calcul photonique, la fusion nucléaire et le spatial, pourraient toutes contribuer à soutenir la croissance à long terme de l’entreprise.

Dans l’ensemble, Coherent est aussi proche que possible d’une société cotée « pure‑play » spécialisée dans les lasers pour les investisseurs intéressés par le secteur, avec une forte intégration verticale et plus de 3 100 brevets protégeant ses innovations.

Alors que la photonique progresse, elle augmentera progressivement la demande de systèmes laser ultra‑rapides et ultra‑précis, ainsi que de lasers utilisés dans les télécommunications optiques.

Dernières actualités et développements boursiers de Coherent (COHR)

Étude référencée

^{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}