Come le metasuperfici chirali stanno trasformando la codifica dei dati

Cos'è la chiralità? Esplorando la scienza dietro la simmetria

In natura, la simmetria è una caratteristica fondamentale di molti elementi, inclusi i componenti del DNA e la luce stessa. È possibile che due molecole quasi identiche tra loro differiscano non nella composizione o nella forma, ma nel loro orientamento, un concetto chiamato "chiralità".

Nella sua forma più semplice, la chiralità può essere spiegata come la ragione per cui la nostra mano sinistra è diversa dalla mano destra, nonostante entrambe le mani siano identiche nella loro forma, struttura e funzione.

La chiralità gioca un ruolo fondamentale in biologia: la selezione naturale ha selezionato esclusivamente molecole di DNA “destrogire”, zuccheri e amminoacidi (la componente base delle proteine).

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

Quando si espone una molecola chirale alla luce polarizzata, la reazione varia a seconda della direzione della polarizzazione della luce.

Si tratta di un fenomeno ben noto in fisica, ma finora era troppo debole per essere utilizzato in applicazioni pratiche. La situazione potrebbe essere cambiata grazie al lavoro dei ricercatori dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Svizzera), dell'Australian National University e dell'University of South Australia.

Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications¹, sotto il titolo “Codifica della chiralità in metasuperfici risonanti governate da simmetrie reticolari".

Come i meta-atomi consentono metasuperfici chirali sintonizzabili

Da alcuni decenni gli scienziati sviluppano nuovi tipi di materiali, chiamati metamateriali. I metamateriali derivano nuove proprietà non presenti in natura, non solo dalla loro composizione, ma anche da come è progettata la loro struttura interna.

I metaatomi sono i blocchi da cui vengono realizzati i metamateriali.

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

Fonte: Nature

Variando l'orientamento 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 di strumenti chirali per la codifica dei dati basata sulla luce

I precedenti tentativi di utilizzare la chiralità per controllare l'interazione con la luce hanno avuto un successo limitato. In gran parte, ciò è dovuto a un approccio troppo complesso, che utilizza geometrie di metaatomi molto complesse.

I ricercatori svizzeri e australiani hanno invece sfruttato l'interazione tra la forma dei meta-atomi e la simmetria del reticolo, utilizzando una metasuperficie composta da germanio e difluoruro di calcio.

Fonte: Nature

Di conseguenza, potrebbero produrre un comportamento chirale prevedibile, regolabile tramite parametri semplici, creando quindi un kit di strumenti universale per la progettazione chirale su richiesta.

Il modello della metasuperficie invertita è stato scritto utilizzando la litografia a fascio di elettroni.

Doppia trasmissione 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" era codificata dalle dimensioni dei metaatomi e poteva essere decodificata utilizzando luce non polarizzata. L'"immagine chirale" era codificata dall'orientamento dei metaatomi, rivelato dall'esposizione a luce polarizzata circolarmente.

"Questo esperimento ha dimostrato la capacità della nostra tecnica di produrre una 'filigrana' a doppio strato invisibile all'occhio umano, aprendo la strada ad applicazioni avanzate di anticontraffazione, mimetizzazione e sicurezza".

Ivan Sinev - Ricercatore del laboratorio di sistemi di bionanofotonica.

La luce utilizzata si collocava nella fascia media dell'infrarosso, il che la rendeva relativamente economica e facile da usare.

Applicazioni pratiche della tecnologia di codifica chirale

Il primo campo di applicazione di questa tecnologia è la crittografia avanzata, il tagging e altre misure anticontraffazione.

Utilizzando questa tecnica, un livello di codifica unico e segreto, realizzabile solo con questo kit di strumenti chirali a portata di mano, potrebbe essere utilizzato per certificare l'autenticità di banconote, carte d'identità, sistemi di pagamento e altri sistemi di identificazione.

Un'altra opzione potrebbe essere quella di utilizzare questa tecnica per creare sensori sensibili alle strutture chirali. Poiché la maggior parte delle molecole biologiche è chirale, questa tecnica potrebbe essere utilizzata per distinguere tra biomolecole levogire e destrogire.

Fonte: Nature

Poiché il sistema può essere regolato lungo un gradiente, potrebbe anche consentire il rilevamento scalabile di molecole chirali.

"Possiamo utilizzare metastrutture chirali come la nostra per rilevare, ad esempio, la composizione o la purezza di un farmaco da campioni di piccolo volume. Potrebbe fare la differenza tra un farmaco e una tossina."

Felice Richter - Ricercatore del laboratorio di sistemi bionanofotonici.

La luce polarizzata è molto importante anche nei sistemi di calcolo avanzati che stanno emergendo come potenziale alternativa agli attuali chip di silicio. Tra questi rientrano la fotonica e il calcolo ottico, così come il calcolo quantistico e la fotonica quantistica.

Questo tipo di sistema chirale sintonizzabile potrebbe essere utilizzato per compiere ulteriori progressi nel controllo della luce polarizzata, aumentando la precisione e riducendo il costo di tali strumenti per nuovi tipi di elaborazione avanzata.

Azienda leader nel settore laser e fotonica quotata in borsa

Coerente (II-VI Marlow): Leader nell'innovazione laser

Con la crescente importanza della fotonica e dei metamateriali in molti settori, anche il mercato degli strumenti principali per queste tecniche, ovvero i laser, sta crescendo.

Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26,000 dipendenti e leader nella tecnologia laser. È nata dalla fusione di Marlow, specializzata in materiali avanzati II-VI, con il produttore di laser Coherent.

L'azienda è esperta in materiali avanzati utilizzati nei laser, nell'ottica e nella fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arseniuro di gallio.

La sua crescita è avvenuta in gran parte grazie alle molteplici acquisizioni avvenute nell'ultimo decennio, passando da 600 milioni di dollari di fatturato nel 2013 a 4.7 miliardi di dollari nel 2024.

L'azienda ricava il 29% del suo fatturato direttamente dai laser, mentre il resto è legato ad apparecchiature correlate come la fibra ottica e l'elettronica. La categoria della strumentazione comprende principalmente le scienze biologiche e le applicazioni mediche.

Fonte: Coerente

La presenza dell’azienda nei materiali avanzati come il termofotovoltaico (che abbiamo discusso in un articolo precedente), carburo di silicio, laser ed elettronica contribuiscono a trarre vantaggio da tendenze strutturali come la crescita della produzione di precisione, della produzione additiva (stampa 3D), dell'elettrificazione e delle energie rinnovabili.

La compagnia ha ha recentemente separato la sua attività di carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75% da Coherent, mentre il resto è di proprietà equamente distribuita tra i partner Mitsubishi Electric (che apporta la proprietà intellettuale nel settore dell'energia al carburo di silicio) e Denso (che apporta la sua attività di fornitore automobilistico di elettrificazione e semiconduttori di potenza).

Questo perché il carburo di silicio è sempre più una tecnologia a sé stante, separata dal laser, utilizzata principalmente in applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici, batterie ed energie rinnovabili. (Puoi leggere di più su carburo di silicio nel nostro report di investimento dedicato a questa tecnologia.)

I laser di Coherent la rendono leader nel rilevamento LIDAR e 3D-digitale, anche per applicazioni di guida autonoma, biotecnologia Celle di flusso per sequenziamento di nuova generazione (NGS)e laser per la produzione di semiconduttoriSi prevede che i suoi mercati principali cresceranno dell'8-20%.

Fonte: Coerente

Anche altre potenziali nuove applicazioni dei laser, come le armi a energia diretta, l'informatica fotonica, la fusione nucleare e la tecnologia spaziale, potrebbero contribuire a sostenere la crescita a lungo termine dell'azienda.

Nel complesso, Coherent è la cosa più vicina possibile a una società laser quotata in borsa "pure play" per gli investitori interessati al settore, con una forte integrazione verticale e oltre 3,100 brevetti a protezione delle sue innovazioni.

Con il progresso della fotonica aumenterà progressivamente la domanda di sistemi laser ultraveloci e ultraprecisi, nonché di laser utilizzati nelle telecomunicazioni ottiche.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Coherent (COHR)

Studio referenziato

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Codifica della chiralità in metasuperfici risonanti governate da simmetrie reticolari. NatUre Comuneicaziones 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}