Hoe chirale metasurfaces datacodering 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 vrijwel identiek aan elkaar 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, terwijl beide handen identiek zijn in hun vorm, structuur en functie.

Chiraliteit speelt een fundamentele rol in de biologie, waarbij natuurlijke selectie uitsluitend ‘rechtshandige’ DNA-moleculen, suiker en aminozuren (de basiscomponent van eiwitten) heeft geselecteerd.

Een vergelijkbaar fenomeen doet zich ook voor bij licht. Licht kan naar links of rechts gepolariseerd worden, waardoor de richting van het 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 voor praktische toepassingen. Dit zou kunnen veranderen dankzij het werk van onderzoekers van 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 "Chiraliteitscodering in resonante metasurfaces onder invloed van roostersymmetrieën'.

Hoe meta-atomen instelbare chirale metasurfaces mogelijk maken

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

Meta-atomen zijn de blokken waaruit metamaterialen bestaan.

Onderzoekers hebben tweedimensionale roosters ontwikkeld die bestaan uit minuscule elementen (de meta-atomen) waarvan de chirale eigenschappen eenvoudig kunnen worden aangepast.

Bron: NATUUR

Door de oriëntatie van meta-atomen binnen een rooster te variëren, kunnen wetenschappers de interactie van het resulterende metaoppervlak met gepolariseerd licht controleren.

Bron: NATUUR

Een chirale toolkit voor lichtgebaseerde datacodering

Eerdere pogingen om chiraliteit te gebruiken om de interactie met licht te beheersen, hadden beperkt succes. Dit kwam grotendeels door een te moeilijke aanpak, waarbij gebruik werd gemaakt van zeer complexe meta-atoomgeometrieën.

In plaats daarvan maakten de Zwitserse en Australische onderzoekers gebruik van de interactie tussen de vorm van de meta-atomen en de symmetrie van het rooster. Ze gebruikten een metaoppervlak van germanium en calciumdifluoride.

Bron: NATUUR

Hierdoor konden ze een voorspelbaar chiraal gedrag produceren, dat met behulp van eenvoudige parameters kon worden aangepast. Daarmee ontstond een universele toolkit voor chiraal ontwerp op aanvraag.

Het omgekeerde metasurfacepatroon werd geschreven met behulp van elektronenbundellithografie.

Dubbele gegevensoverdracht

Als proof-of-concept creëerden de onderzoekers een afbeelding met twee lagen aan data, gecodeerd door een metasurface: één met normaal licht en één met gepolariseerd licht.

Bron: NATUUR

Het "transmissiebeeld" werd gecodeerd door de grootte van de meta-atomen en kon worden gedecodeerd met ongepolariseerd licht. Het "chirale beeld" werd gecodeerd door de oriëntatie van de meta-atomen, die zichtbaar werd bij blootstelling aan circulair gepolariseerd licht.

“Dit experiment toonde het vermogen van onze techniek aan om een dubbellaags ‘watermerk’ te produceren dat onzichtbaar is voor het menselijk oog, wat de weg vrijmaakt voor geavanceerde toepassingen op het gebied van namaakbestrijding, camouflage en beveiliging.”

Ivan Sinev - Onderzoeker van het Bionanophotonics Systems Lab.

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

Toepassingen van chirale coderingstechnologie in de praktijk

Het eerste toepassingsgebied van deze technologie is geavanceerde encryptie, tagging en andere maatregelen tegen namaak.

Met behulp van deze techniek kan een uniek en geheim coderingsniveau worden bereikt, dat alleen mogelijk is met deze chirale toolkit. Hiermee kan de authenticiteit van bankbiljetten, identiteitskaarten, betalingssystemen en andere identificatiesystemen worden gecertificeerd.

Een andere mogelijkheid is om deze techniek te gebruiken om sensoren te creëren die gevoelig zijn voor chirale structuren. Aangezien de meeste biologische moleculen chiraal zijn, zou dit gebruikt kunnen worden om onderscheid te maken tussen links- en rechtsdraaiende biomoleculen.

Bron: NATUUR

Omdat het systeem langs een gradiënt kan worden afgesteld, kan het ook schaalbare detectie van chirale moleculen mogelijk maken.

"We kunnen chirale metastructuren zoals die van ons gebruiken om bijvoorbeeld de samenstelling of zuiverheid van geneesmiddelen in kleine hoeveelheden te bepalen. Het zou het verschil kunnen maken tussen een medicijn en een toxine."

Felix Richter - Onderzoeker van het Bionanophotonic Systems Lab.

Gepolariseerd licht is ook erg belangrijk in geavanceerde computersystemen die zich ontwikkelen tot een potentieel alternatief voor de huidige siliciumchips. Dit omvat fotonica en optische computing, evenals quantum computing en quantumfotonica.

Een dergelijk instelbaar chiraal systeem zou verdere vooruitgang kunnen boeken in de beheersing van gepolariseerd licht, waardoor de precisie zou toenemen en de kosten van dergelijke hulpmiddelen voor nieuwe vormen van geavanceerde computers zouden dalen.

Top beursgenoteerde laser- en fotonicabedrijf

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

Naarmate fotonica en metamaterialen in veel sectoren belangrijker worden, groeit ook de markt voor de belangrijkste hulpmiddelen voor deze technieken, lasers.

Coherent is een groot industrieel conglomeraat met meer dan 26,000 medewerkers en een leider in lasertechnologie. Het is ontstaan ​​uit de fusie van geavanceerd materiaal II-VI Marlow met laserfabrikant Coherent.

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

De omzet groeide grotendeels dankzij meerdere overnames in het afgelopen decennium: van $ 600 miljoen in 2013 naar $ 4.7 miljard in 2024.

Het bedrijf haalt 29% van zijn omzet rechtstreeks uit lasers, de rest uit aanverwante apparatuur zoals glasvezel en elektronica. De instrumentatiecategorie omvat voornamelijk toepassingen in de life sciences en de medische sector.

Bron: Samenhangend

De aanwezigheid van het bedrijf in geavanceerde materialen zoals thermofotovoltaïsche zonne-energie (waarmee we hebben het in een vorig artikel besproken), siliciumcarbide, lasers en elektronica zorgt ervoor dat de sector kan profiteren van structurele trends zoals de groei van precisieproductie, additieve productie (3D-printen), elektrificatie en hernieuwbare energieën.

Het bedrijf heeft heeft onlangs zijn siliciumcarbide-activiteiten afgesplitst in een nieuwe entiteit, die voor 75% in handen is van Coherent, terwijl de rest in gelijke mate in handen is van de partners Mitsubishi Electric (die intellectuele eigendom op het gebied van siliciumcarbide-kracht levert) en Denso (die zijn activiteiten als toeleverancier voor de automobielindustrie op het gebied van elektrificatie en vermogenhalfgeleiders levert).

Dit komt doordat siliciumcarbide steeds vaker een eigen technologie heeft, los van lasertechnologie, en vooral wordt gebruikt in toepassingen met een hoog vermogen, zoals elektrische voertuigen, batterijen en hernieuwbare energie. (Je kunt er meer over lezen siliciumcarbide in ons speciale investeringsrapport over deze technologie.)

De lasers van Coherent maken het een leider in LIDAR en 3D-digitale sensing, ook voor zelfrijdende toepassingen, biotechnologie Volgende generatie sequencing (NGS) flowcellenen  lasers voor de productie van halfgeleidersHet bedrijf verwacht dat de belangrijkste markten met 8-20% zullen groeien.

Bron: Samenhangend

Andere potentiële nieuwe toepassingen van lasers, zoals energie-wapens, fotonische computers, kernfusie en ruimtetechnologie, zouden allemaal kunnen bijdragen aan de groei van het bedrijf op de lange termijn.

Al met al komt Coherent het dichtst in de buurt van een beursgenoteerd laserbedrijf dat puur op de markt is voor investeerders die geïnteresseerd zijn in de sector, met een sterke verticale integratie en meer dan 3,100 patenten die zijn innovaties beschermen.

Naarmate de fotonica zich verder ontwikkelt, zal de vraag naar ultrasnelle, ultraprecieze lasersystemen en lasers voor optische telecommunicatie steeds groter worden.

Laatste Coherent (COHR) aandelennieuws en ontwikkelingen

Studie waarnaar wordt verwezen

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Chiraliteitscodering in resonante metasurfaces onder invloed van roostersymmetrieën. Nature Communicaties 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}