Come le Metasuperfici Chirali Stanno Trasformando la Codifica dei Dati

Che cos’è la chiralità? Esplorare la scienza dietro la simmetria

In natura, la simmetria è una caratteristica fondamentale di molte cose, inclusi i componenti del DNA e la luce stessa. È possibile che due molecole quasi identiche differiscano non nella loro composizione o forma, ma nella loro orientazione, un concetto chiamato “chiralità”.

La chiralità può essere spiegata nella sua forma più semplice come il motivo per cui la nostra mano sinistra differisce dalla destra, nonostante entrambe le mani siano identiche nella forma, nella struttura e nella funzione.

La chiralità svolge un ruolo fondamentale in biologia, con la selezione naturale che ha scelto esclusivamente molecole di DNA, zuccheri e amminoacidi “destrorse” (la componente di base delle proteine).

Lo stesso tipo di fenomeno può verificarsi con la luce, che può essere polarizzata verso sinistra o destra, cambiando la direzione del suo campo elettrico.

Quando una molecola chirale è esposta a luce polarizzata, la reazione differisce a seconda della direzione della polarizzazione della luce.

Questo è un fenomeno ben noto in fisica, ma fino a poco tempo fa era troppo debole per essere utilizzato in applicazioni pratiche. Questo potrebbe essere cambiato grazie al lavoro di ricercatori dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Svizzera), dell’Australian National University e dell’University of South Australia.

They published their results in Nature Communications¹, under the title “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Come i Meta-Atomi Abilitano Metasuperfici Chirali Regolabili

Gli scienziati stanno sviluppando nuovi tipi di materiali, chiamati metamateriali, da qualche decennio. I metamateriali ottengono nuove proprietà non presenti in natura, non solo dalla loro composizione, ma dal modo in cui la loro struttura interna è progettata.

I meta-atomi sono i blocchi da cui sono fatti i metamateriali.

I ricercatori hanno sviluppato reticoli 2D composti da piccoli elementi (i meta-atomi) che possono regolare facilmente le loro proprietà chirali.

Fonte: Nature

Variando l’orientazione dei meta-atomi all’interno di un reticolo, gli scienziati possono controllare l’interazione della metasuperficie risultante con la luce polarizzata.

Fonte: Nature

Un Kit Chirale per la Codifica dei Dati Basata sulla Luce

I tentativi precedenti di utilizzare la chiralità per controllare l’interazione con la luce hanno avuto un successo limitato. In gran parte, ciò era dovuto a un approccio troppo complesso, che impiegava geometrie di meta-atomi molto intricate.

Invece, i ricercatori svizzeri e australiani hanno sfruttato l’interazione tra la forma dei meta-atomi e la simmetria del reticolo. Hanno usato una metasuperficie composta da germanio e difluoruro di calcio.

Fonte: Nature

Di conseguenza, sono riusciti a produrre un comportamento chirale prevedibile, regolabile mediante parametri semplici, creando così un kit universale per la progettazione chirale su richiesta.

The inverted metasurface pattern was written using electron beam lithography.

Trasmissione Doppia dei Dati

Come prova di concetto, i ricercatori hanno creato un’immagine con 2 strati di dati codificati da una metasuperficie, uno con luce normale e uno con luce polarizzata.

Fonte: Nature

L’“immagine di trasmissione” è stata codificata dalla dimensione dei meta-atomi e può essere decodificata usando luce non polarizzata. L’“immagine chirale” è stata codificata dall’orientazione dei meta-atomi, rivelata quando esposta a luce circolarmente polarizzata.

“Questo esperimento ha dimostrato la capacità della nostra tecnica di produrre un ‘watermark’ a doppio strato invisibile all’occhio umano, aprendo la strada a avanzate applicazioni anti-contraffazione, camuffamento e sicurezza,”

Ivan Sinev – ricercatore del Bionanophotonics Systems Lab.

La luce utilizzata era nel mezzo della gamma infrarossa, rendendola relativamente a basso costo e facile da usare.

Applicazioni Reali della Tecnologia di Codifica Chirale

Il primo campo di applicazione di questa tecnologia è per la crittografia avanzata, il tagging e altre misure anti-contraffazione.

Utilizzando questa tecnica, un livello unico e segreto di codifica, realizzabile solo con questo kit chirale a disposizione, potrebbe essere usato per certificare l’autenticità di banconote, carte d’identità, sistemi di pagamento e altri sistemi di identificazione.

Un’altra possibilità è utilizzare questa tecnica per creare sensori sensibili a strutture chirali. Poiché la maggior parte delle molecole biologiche è chirale, ciò potrebbe essere usato per distinguere tra biomolecole destrorse e levogire.

Fonte: Nature

Poiché il sistema può essere sintonizzato lungo un gradiente, potrebbe anche consentire una rilevazione scalabile di molecole chirali.

“Possiamo usare metastructures chirali come la nostra per rilevare, ad esempio, la composizione o la purezza di farmaci da campioni a volume ridotto. Potrebbe fare la differenza tra un medicinale e una tossina,”

Felix Richter – ricercatore del Bionanophotonic Systems Lab.

La luce polarizzata è anche molto importante nei sistemi di calcolo avanzati emergenti come potenziale alternativa ai chip di silicio attuali. Questo include fotonica e calcolo ottico, nonché calcolo quantistico e fotonica quantistica.

Questo tipo di sistema chirale regolabile potrebbe essere usato per fare ulteriori progressi nel controllo della luce polarizzata, aumentando la precisione e riducendo il costo di tali strumenti per nuovi tipi di calcolo avanzato.

Migliore Azienda Quotata di Laser & Fotonica

Coherent (II-VI Marlow): Un Leader nell’Innovazione Laser

Man mano che la fotonica e i metamateriali diventano più importanti in molti settori, gli strumenti principali per queste tecniche, i laser, stanno anch’essi vedendo crescere il loro mercato.

Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26.000 dipendenti e un leader nella tecnologia laser. È il risultato della fusione del materiale avanzato II-VI (COHR ) Marlow con il produttore di laser Coherent.

L’azienda è esperta in materiali avanzati usati nei laser, ottica e fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arsenico di gallio.

È cresciuta notevolmente grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio, passando da 600 M$ di fatturato nel 2013 a 4,7 B$ nel 2024.

L’azienda ricava il 29 % dei suoi ricavi direttamente dai laser, con il resto legato a apparecchiature correlate come fibra ottica ed elettronica. La categoria strumentazione comprende principalmente applicazioni per le scienze della vita e il settore medico.

Fonte: Coherent

La presenza dell’azienda in materiali avanzati come i termofotovoltaici (di cui abbiamo discusso in un articolo precedente), carburo di silicio, laser ed elettronica le consente di beneficiare di tendenze strutturali come la crescita della manifattura di precisione, la stampa 3D, l’elettrificazione e le energie rinnovabili.

L’azienda ha recentemente separato la sua attività di carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75 % da Coherent, con il resto detenuto equamente dai partner Mitsubishi Electric (che porta la proprietà intellettuale del carburo di silicio) e Denso (che porta la sua attività di fornitore automobilistico nell’elettrificazione e nei semiconduttori di potenza).

Ciò è dovuto al fatto che il carburo di silicio sta diventando sempre più una tecnologia autonoma, separata dal laser, usata principalmente in applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici, batterie ed energia rinnovabile. (Puoi leggere di più sul carburo di silicio nel nostro report di investimento dedicato a questa tecnologia.)

I laser di Coherent la rendono un leader nel LIDAR e nella sensoristica 3D digitale, incluse le applicazioni per veicoli autonomi, nella biotecnologia Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, e laser per la produzione di semiconduttori. Prevede che i suoi mercati principali cresceranno dell’8‑20 %.

Fonte: Coherent

Altre potenziali nuove applicazioni dei laser, come armi a energia diretta, calcolo fotonico, fusione nucleare e tecnologie spaziali, potrebbero tutte contribuire a sostenere la crescita a lungo termine dell’azienda.

Nel complesso, Coherent è il più vicino a una “pure play” azienda quotata di laser per gli investitori interessati al settore, con una forte integrazione verticale e oltre 3.100 brevetti che proteggono le sue innovazioni.

Man mano che la fotonica avanza, aumenterà progressivamente la domanda di sistemi laser ultra‑veloci e ultra‑precisi, nonché di laser utilizzati nelle telecomunicazioni ottiche.

Ultime Notizie e Sviluppi Azionari di Coherent (COHR)

Studio di Riferimento

^{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}