Hoe chiraal metasurfaces de gegevenscodering transformeren

Wat is chiraliteit? De wetenschap achter symmetrie verkennen

In de natuur is symmetrie een fundamenteel kenmerk van veel dingen, waaronder de componenten van DNA en licht zelf. Het is mogelijk dat twee moleculen die bijna identiek zijn, niet verschillen in hun samenstelling of vorm, maar in hun oriëntatie, een concept dat “chiraliteit” wordt genoemd.

Chiraliteit kan in de eenvoudigste vorm worden uitgelegd als de reden waarom onze linkerhand verschilt van onze rechterhand, hoewel beide handen identiek zijn in vorm, structuur en functie.

Chiraliteit speelt een fundamentele rol in de biologie, waarbij natuurlijke selectie uitsluitend “rechtsdraaiende” DNA‑moleculen, suikers en aminozuren (de basisingrediënt van eiwitten) heeft geselecteerd.

Hetzelfde type fenomeen kan zich voordoen bij licht, dat naar links of rechts kan worden gepolariseerd, waardoor de richting van zijn elektrische veld verandert.

Wanneer een chiraal molecuul wordt blootgesteld aan gepolariseerd licht, verschilt de reactie afhankelijk van de richting van de lichtpolarisatie.

Dit is een bekend fenomeen in de natuurkunde, maar tot nu toe was het te zwak om in praktische toepassingen te worden gebruikt. Dit kan zijn veranderd dankzij het werk van onderzoekers aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Zwitserland), de Australian National University en de University of South Australia.

Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications¹, onder de titel “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Hoe meta‑atomen afstelbare chiraal metasurfaces mogelijk maken

Wetenschappers ontwikkelen al enkele decennia nieuwe soorten materialen, metamaterialen genaamd. Metamaterialen verkrijgen nieuwe eigenschappen die niet in de natuur voorkomen, niet alleen door hun samenstelling, maar door de manier waarop hun interne structuur is ontworpen.

Meta‑atomen zijn de bouwblokken waaruit metamaterialen bestaan.

De onderzoekers hebben 2D‑roosters ontwikkeld die bestaan uit kleine elementen (de meta‑atomen) die hun chiraal eigenschappen eenvoudig kunnen afstemmen.

Bron: Nature

Door de oriëntatie van meta‑atomen binnen een rooster te variëren, kunnen wetenschappers de interactie van het resulterende metasurface met gepolariseerd licht beheersen.

Bron: Nature

Een chiraal toolkit voor lichtgebaseerde gegevenscodering

Eerdere pogingen om chiraliteit te gebruiken om de interactie met licht te beheersen, hadden beperkt succes. Voor een groot deel kwam dit door een te moeilijke aanpak, waarbij zeer complexe meta‑atom geometrieën werden gebruikt.

In plaats daarvan benutten de Zwitserse en Australische onderzoekers de interactie tussen de vorm van de meta‑atomen en de symmetrie van het rooster. Ze gebruikten een metasurface gemaakt van germanium en calciumdifluoride.

Bron: Nature

Als gevolg hiervan konden ze een voorspelbaar chiraal gedrag produceren, afstelbaar via eenvoudige parameters, waardoor een universeel toolkit voor op aanvraag chiraal ontwerp werd gecreëerd.

Het omgekeerde metasurface‑patroon werd geschreven met behulp van elektronenstraallithografie.

Dubbele gegevensoverdracht

Als proof‑of‑concept creëerden de onderzoekers een afbeelding met 2 lagen gegevens gecodeerd door een metasurface, één met normaal licht en één met gepolariseerd licht.

Bron: Nature

De “transmissie‑afbeelding” werd gecodeerd door de grootte van de meta‑atomen en kon worden gedecodeerd met ongepolariseerd licht. De “chiraal‑afbeelding” werd gecodeerd door de oriëntatie van de meta‑atomen, zichtbaar wanneer blootgesteld aan cirkelvormig gepolariseerd licht.

“Dit experiment toonde de mogelijkheid van onze techniek om een dubbele laag ‘watermerk’ te produceren die onzichtbaar is voor het menselijk oog, en baande de weg voor geavanceerde anti‑vervalsing, camouflage en beveiligingsapplicaties,”

Ivan Sinev – Bionanophotonics Systems Lab researcher.

Het gebruikte licht bevond zich in het midden van het infraroodbereik, waardoor het relatief goedkoop en gemakkelijk te gebruiken is.

Praktische toepassingen van chiraal coderings‑technologie

Het eerste toepassingsgebied van deze technologie is voor geavanceerde encryptie, tagging en andere anti‑vervalsingsmaatregelen.

Met deze techniek kan een uniek en geheim coderingsniveau, alleen uitvoerbaar met dit chiraal toolkit, worden gebruikt om de authenticiteit van bankbiljetten, identiteitskaarten, betaalsystemen en andere identificatiesystemen te certificeren.

Een andere mogelijkheid is om deze techniek te gebruiken om sensoren te creëren die gevoelig zijn voor chiraal structuren. Aangezien de meeste biologische moleculen chiraal zijn, kan dit worden gebruikt om te onderscheiden tussen links‑ en rechtsdraaiende biomoleculen.

Bron: Nature

Aangezien het systeem langs een gradiënt kan worden afgestemd, kan het ook schaalbare detectie van chiraal moleculen mogelijk maken.

“We kunnen chiraal metastructuren zoals de onze gebruiken om bijvoorbeeld de samenstelling of zuiverheid van een medicijn te detecteren uit kleine monsters. Het kan het verschil betekenen tussen een medicijn en een gifstof,”

Felix Richter – Bionanophotonic Systems Lab researcher.

Gepolariseerd licht is ook zeer belangrijk in geavanceerde rekeningsystemen die zich ontwikkelen als een potentieel alternatief voor huidige siliciumchips. Dit omvat fotonica en optisch rekenen, evenals quantumcomputing en quantumfotonica.

Dit soort afstelbaar chiraal systeem kan worden gebruikt om verdere vooruitgang te boeken in de controle van gepolariseerd licht, waardoor de precisie toeneemt en de kosten van dergelijke hulpmiddelen voor nieuwe soorten geavanceerde computing worden verlaagd.

Top beursgenoteerde laser‑ & fotonicabedrijf

Coherent (II-VI Marlow): Een leider in laserinnovatie

Naarmate fotonica en metamaterialen belangrijker worden in veel sectoren, zien de belangrijkste instrumenten voor deze technieken, lasers, hun markt ook groeien.

Coherent is een groot industrieel conglomeraat met meer dan 26.000 werknemers en een leider in lasertechnologie. Het is ontstaan uit de fusie van geavanceerd materiaal II‑VI (COHR ) Marlow met de laserfabrikant Coherent.

Het bedrijf is een expert in geavanceerde materialen die worden gebruikt in lasers, optica en fotonica, zoals indiumfosfide, epitaxiale wafers en galliumarsenide.

Het groeide grotendeels dankzij meerdere overnames in het afgelopen decennium, van $600 M omzet in 2013 tot $4,7 B in 2024.

Het bedrijf haalt 29 % van zijn omzet direct uit lasers, terwijl de rest verband houdt met gerelateerde apparatuur zoals optische vezels en elektronica. De instrumentatiecategorie omvat voornamelijk levenswetenschappen en medische toepassingen.

Bron: Coherent

De aanwezigheid van het bedrijf in geavanceerde materialen zoals thermofotovoltaïcs (waarover we in een eerder artikel spraken), siliciumcarbide, lasers en elektronica helpt het profiteren van structurele trends zoals de groei van precisieproductie, additive manufacturing (3D‑printen), elektrificatie en hernieuwbare energie.

Het bedrijf heeft recentelijk zijn siliciumcarbide‑activiteiten gesplitst in een nieuwe entiteit, voor 75 % eigendom van Coherent, waarbij de rest gelijkelijk eigendom is van de partners Mitsubishi Electric (die siliciumcarbide‑power‑IP levert) en Denso (die als automobiele leverancier actief is op het gebied van elektrificatie en vermogens‑semiconductors).

Dit komt omdat siliciumcarbide steeds meer een eigen technologie wordt, gescheiden van lasers, en voornamelijk wordt gebruikt in hoogvermogenstoepassingen zoals elektrische voertuigen, batterijen en hernieuwbare energie. (U kunt meer lezen over silicon carbide in ons speciale investeringsrapport over deze technologie.)

De lasers van Coherent maken het een leider in LIDAR en 3D‑digitaal sensing, inclusief toepassingen voor zelfrijdende voertuigen, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, en lasers voor halfgeleiderproductie. Het verwacht dat de belangrijkste markten met 8‑20 % zullen groeien.

Bron: Coherent

Andere potentiële nieuwe toepassingen van lasers, zoals directe energie wapens, fotonische computing, kernfusie en ruimtevaarttechnologie, kunnen allemaal evenzeer bijdragen aan de langetermijngroei van het bedrijf.

Over het geheel genomen is Coherent zo dicht mogelijk bij een ‘pure play’ beursgenoteerd laserbedrijf voor beleggers die in de sector geïnteresseerd zijn, met sterke verticale integratie en meer dan 3.100 patenten die haar innovaties beschermen.

Naarmate fotonica vordert, zal de vraag naar ultrasnelle, ultranauwkeurige lasersystemen, evenals lasers die worden gebruikt in optische telecommunicatie, geleidelijk toenemen.

Laatste Coherent (COHR) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Gerefereerde studie

^{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}