מדעי החומר
כיצד מטא-משטחים כיראליים משנים קידוד נתונים
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
מהי כיראליות? חקר המדע שמאחורי הסימטריה
בטבע, סימטריה היא מאפיין בסיסי של דברים רבים, כולל מרכיבי ה-DNA והאור עצמו. ייתכן ששתי מולקולות כמעט זהות זו לזו נבדלות לא בהרכבן או בצורתן, אלא באוריינטציה שלהן, מושג הנקרא "כירליות".
ניתן להסביר את הכיראליות בצורתה הפשוטה ביותר כסיבה לכך שיד שמאל שלנו שונה מיד ימין, למרות ששתי הידיים זהות בצורתן, במבנהן ובתפקודן.
לכירליות תפקיד מהותי בביולוגיה, כאשר הברירה הטבעית בוחרת אך ורק מולקולות DNA "ימניות", סוכר וחומצות אמינו (המרכיב הבסיסי של חלבונים).
אותה תופעה יכולה להתרחש גם עם אור, שיכול להיות מקוטב לכיוון שמאלה או ימינה, ולשנות את כיוון השדה החשמלי שלו.
כאשר חושפים מולקולה כיראלית לאור מקוטב, התגובה משתנה בהתאם לכיוון הקיטוב של האור.
זוהי תופעה ידועה בפיזיקה, אך עד כה היא הייתה חלשה מדי מכדי לשמש ביישומים מעשיים. ייתכן שזה השתנה הודות לעבודתם של חוקרים בבית הספר הפוליטכני הפדרלי דה לוזאן (EPFL - שוויץ), באוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה ובאוניברסיטת דרום אוסטרליה.
הם פרסמו את תוצאותיהם ב-Nature Communications1, תחת הכותרת "קידוד כיראליות במטא-משטחים תהודה הנשלטים על ידי סימטריות סריג".
כיצד מטא-אטומים מאפשרים מטא-משטחים כיראליים מתכווננים
מדענים מפתחים סוגים חדשים של חומרים, הנקראים מטא-חומרים, במשך כמה עשורים. מטא-חומרים שואבים תכונות חדשות שלא נמצאות בטבע, לא מהרכבם בלבד, אלא מאופן עיצוב המבנה הפנימי שלהם.
מטא-אטומים הם הבלוקים מהם עשויים מטא-חומרים.
החוקרים פיתחו סריגים דו-ממדיים המורכבים מיסודות זעירים (המטא-אטומים) שיכולים לכוונן בקלות את תכונותיהם הכיראליות.
מקור: טבע
על ידי שינוי הכיוון של מטא-אטומים בתוך סריג, מדענים יכולים לשלוט באינטראקציה של המטא-פני השטח המתקבלת עם אור מקוטב.
מקור: טבע
ערכת כלים כיראלית לקידוד נתונים מבוסס אור
ניסיונות קודמים להשתמש בכירליות כדי לשלוט באינטראקציה עם אור היו בעלי הצלחה מוגבלת. במידה רבה, הסיבה לכך הייתה גישה קשה מדי, תוך שימוש בגיאומטריות מטא-אטומיות מורכבות מאוד.
במקום זאת, החוקרים השוויצרים והאוסטרלים מינפו את האינטראקציה בין צורת המטא-אטומים לסימטריה של הסריג. הם השתמשו במטא-משטח העשוי מגרמניום וסידן דיפלואוריד.
מקור: טבע
כתוצאה מכך, הם יכלו לייצר התנהגות כיראלית צפויה, הניתנת לכוונון על ידי פרמטרים פשוטים, ובכך ליצור ארגז כלים אוניברסלי לתכנון כיראלי לפי דרישה.
דפוס המטא-פני השטח ההפוך נכתב באמצעות ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים.
העברת נתונים כפולה
כהוכחת היתכנות, החוקרים יצרו תמונה עם שתי שכבות של נתונים המקודדות על ידי מטא-משטח, אחת עם אור רגיל ואחת עם אור מקוטב.
מקור: טבע
"תמונת ההעברה" קודדה על ידי גודל אטומי המטא, וניתן לפענח אותה באמצעות אור לא מקוטב. "התמונה הכיראלית" קודדה על ידי כיוון אטומי המטא, שנחשף כאשר הוא נחשף לאור מקוטב מעגלי.
"ניסוי זה הציג את יכולתה של הטכניקה שלנו לייצר 'סימן מים' דו-שכבתי בלתי נראה לעין האנושית, ובכך סלל את הדרך ליישומים מתקדמים נגד זיופים, הסוואה ואבטחה."
האור בו נעשה שימוש היה באמצע טווח האינפרא אדום, מה שהפך אותו לזול יחסית וקל לשימוש.
יישומים בעולם האמיתי של טכנולוגיית קידוד כיראלי
תחום היישום הראשון של טכנולוגיה זו הוא הצפנה מתקדמת, תיוג ואמצעים אחרים נגד זיופים.
באמצעות טכניקה זו, ניתן להשתמש ברמת קידוד ייחודית וסודית, שניתן לבצע רק בעזרת ערכת כלים כירלית זו, כדי לאשר את האותנטיות של שטרות כסף, תעודות זהות, מערכות תשלום ומערכות זיהוי אחרות.
אפשרות נוספת יכולה להיות שימוש בטכניקה זו כדי ליצור חיישנים הרגישים למבנים כיראליים. מכיוון שרוב המולקולות הביולוגיות הן כיראליות, ניתן להשתמש בכך כדי להבחין בין ביומולקולות שמאליות לימניות.
מקור: טבע
מכיוון שניתן לכוון את המערכת לאורך גרדיאנט, היא יכולה גם לאפשר חישה ניתנת להרחבה של מולקולות כיראליות.
"אנחנו יכולים להשתמש במטא-מבנים כיראליים כמו שלנו כדי לחוש, למשל, את הרכב התרופה או את טוהרה מדגימות בנפח קטן. זה יכול לעשות את ההבדל בין תרופה לרעלן,"
אור מקוטב חשוב מאוד גם במערכות מחשוב מתקדמות, העולות כחלופה פוטנציאלית לשבבי סיליקון קיימים. זה כולל פוטוניקה ומחשוב אופטי, כמו גם מחשוב קוונטי ופוטוניקה קוונטית.
מערכת כיראלית מתכווננת מסוג זה יכולה לשמש להתקדמות נוספת בבקרה על אור מקוטב, להגדלת הדיוק ולהפחתת העלות של כלים כאלה עבור סוגים חדשים של מחשוב מתקדם.
| אזור יישומים | תיאור | מקרי שימוש פוטנציאליים |
|---|---|---|
| נגד זיופים | קידוד אור דו-שכבתי יוצר סימני מים בלתי נראים | שטרות כסף, תעודות זהות, מערכות אימות |
| חישה ביולוגית | יכול להבדיל בין מולקולות כירליות (צורות שמאליות לעומת ימניות) | הרכב תרופות, בדיקות טוהר |
| פוטוניקה ומחשוב | בקרת קיטוב מתכווננת משפרת מערכות אופטיות וקוונטיות | מחשוב פוטוני, קריפטוגרפיה קוונטית |
| אבטחה והסוואה | דפוסים בלתי נראים נחשפים רק תחת אור מקוטב | מערכות הסתרה וזיהוי ברמה צבאית |
חברת לייזר ופוטוניקה ציבורית מובילה
קוהרנטי (II-VI מרלו)מובילה בחדשנות לייזר
(COHR )
ככל שפוטוניקה ומטא-חומרים הופכים לחשובים יותר בתעשיות רבות, גם הכלים העיקריים לטכניקות אלו, לייזרים, רואים צמיחה בשוק.
קוהרנט הוא תאגיד תעשייתי גדול עם למעלה מ-26,000 עובדים ומובילה בטכנולוגיית לייזר. הוא נוצר כתוצאה ממיזוג של החומר המתקדם II-VI Marlow עם יצרנית הלייזרים קוהרנט.
החברה מומחית בחומרים מתקדמים המשמשים בלייזרים, אופטיקה ופוטוניקה, כגון אינדיום פוספיד, פרוסות אפיטקסיות וגליום ארסניד.
היא צמחה בעיקר הודות לרכישות מרובות בעשור האחרון, מהכנסות של 600 מיליון דולר בשנת 2013 ל-4.7 מיליארד דולר בשנת 2024.
החברה מקבלת 29% מהכנסותיה מלייזרים ישירות, כאשר השאר קשור לציוד נלווה כמו סיבים אופטיים ואלקטרוניקה. קטגוריית המכשור כוללת בעיקר מדעי החיים ויישומים רפואיים.
מקור: קוהרנטית
נוכחות החברה בחומרים מתקדמים כמו תרמופוטו-וולטאים (אשר דנו במאמר קודם), סיליקון קרביד, לייזרים ואלקטרוניקה עוזרים לה ליהנות ממגמות מבניות כמו צמיחת ייצור מדויק, ייצור תוסף (הדפסה תלת-ממדית), חשמול ואנרגיות מתחדשות.
לחברה יש לאחרונה הפרידה את עסקי הסיליקון קרביד שלה לישות חדשה, בבעלות Coherent ב-75%, כאשר היתרה בבעלות שווה של שותפותיה מיצובישי אלקטריק (המביאה את IP של סיליקון קרביד) ודנסו (המביאה את פעילותה כספקית רכב בתחום החשמול ומוליכים למחצה להספק).
הסיבה לכך היא שסיליקון קרביד הוא יותר ויותר טכנולוגיה בפני עצמה, נפרדת מלייזר, המשמשת בעיקר ביישומים עתירי הספק כמו רכבים חשמליים, סוללות ואנרגיה מתחדשת. (תוכל לקרוא עוד על סיליקון קרביד בדוח ההשקעות הייעודי שלנו על טכנולוגיה זו.)
הלייזרים של Coherent הופכים אותה למובילה ב-LIDAR ובחישה דיגיטלית תלת מימדית, כולל עבור יישומי נהיגה עצמית, ביוטכנולוגיה תאי זרימה של הדור הבא (NGS)., ו לייזרים לייצור מוליכים למחצההיא צופה צמיחה בשווקים העיקריים שלה בשיעור של 8-20%.
מקור: קוהרנטית
יישומים חדשים פוטנציאליים אחרים של לייזרים, כמו נשק אנרגיה ישירה, מחשוב פוטוני, היתוך גרעיני וטכנולוגיית חלל, כולם יכולים באותה מידה לסייע בשמירה על הצמיחה ארוכת הטווח של החברה.
בסך הכל, Coherent קרובה ככל שהיא יכולה להגיע לחברת לייזר ציבורית הנסחרת בבורסה עבור משקיעים המעוניינים במגזר, עם אינטגרציה אנכית חזקה ו-3,100+ פטנטים המגינים על החידושים שלה.
ככל שהפוטוניקה מתקדמת, היא תגדיל בהדרגה את הביקוש למערכות לייזר מהירות ומדויקות במיוחד, כמו גם לייזרים המשמשים בתקשורת אופטית.
חדשות והתפתחויות אחרונות בנוגע למניות קוהרנטיות (COHR)
מחקר שאליו התייחס
1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. קידוד כיראליות במטא-משטחים תהודה הנשלטים על ידי סימטריות סריג. ארץיור קהילהאיקציהסעיף 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2
