Hvordan kirale metasurfaces transformerer datakoding

Hva er kiralitet? Utforsker vitenskapen bak symmetri

I naturen er symmetri et grunnleggende trekk ved mange ting, inkludert komponentene i DNA og lyset i seg selv. Det er mulig at to molekyler som er nesten identiske med hverandre, ikke skiller seg i sammensetning eller form, men i orientering, et konsept som kalles «kiralitet».

Kiralitet kan forklares i sin enkleste form som grunnen til at venstre hånd er forskjellig fra høyre hånd, til tross for at begge hender er identiske i form, struktur og funksjon.

Kiralitet spiller en grunnleggende rolle i biologien, der naturlig seleksjon utelukkende har valgt ut «høyrehendte» DNA-molekyler, sukker og aminosyrer (basekomponenten i proteiner).

Den samme typen fenomen kan forekomme med lys, som kan polariseres mot venstre eller høyre, og endre retningen på det elektriske feltet.

Når et kiralt molekyl eksponeres for polarisert lys, varierer reaksjonen avhengig av retningen på lyspolarisasjonen.

Dette er et velkjent fenomen innen fysikk, men frem til nå var det for svakt til å kunne brukes i praktiske anvendelser. Dette kan ha endret seg takket være arbeidet til forskere ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Sveits), Australian National University og University of South Australia.

De publiserte resultatene sine i Nature Communications¹, under tittelen "Kiralitetskoding i resonante metasoverflater styrt av gittersymmetrier".

Hvordan metaatomer muliggjør avstembare kirale metasoverflater

Forskere har utviklet nye typer materialer, kalt metamaterialer, i noen tiår. Metamaterialer får nye egenskaper som ikke finnes i naturen, ikke bare fra sammensetningen, men fra hvordan deres indre struktur er utformet.

Metaatomer er blokkene som metamaterialer er laget av.

Forskerne har utviklet 2D-gitter bestående av ørsmå elementer (metaatomene) som enkelt kan justere sine kirale egenskaper.

kilde: Natur

Ved å variere orienteringen til metaatomer i et gitter, kan forskere kontrollere den resulterende metaoverflatens interaksjon med polarisert lys.

kilde: Natur

Et kiralt verktøysett for lysbasert datakoding

Tidligere forsøk på å bruke kiralitet til å kontrollere interaksjon med lys hadde begrenset suksess. Dette skyldtes i stor grad en for vanskelig tilnærming, med bruk av svært komplekse metaatomgeometrier.

I stedet utnyttet de sveitsiske og australske forskerne samspillet mellom formen på metaatomene og symmetrien i gitteret. De brukte en metasoverflate laget av germanium og kalsiumdifluorid.

kilde: Natur

Som et resultat kunne de produsere en forutsigbar kiral oppførsel, innstillbar med enkle parametere, og dermed skape et universelt verktøysett for kiral design på forespørsel.

Det inverterte metasoverflatemønsteret ble skrevet ved hjelp av elektronstrålelitografi.

Dobbel dataoverføring

Som et bevis på konseptet laget forskerne et bilde med to lag med data kodet av en metasoverflate, ett med normalt lys og ett med polarisert lys.

kilde: Natur

«Transmisjonsbildet» ble kodet av størrelsen på metaatomene, og kunne dekodes ved hjelp av upolarisert lys. Det «kirale bildet» ble kodet av orienteringen til metaatomene, som ble avslørt når de ble utsatt for sirkulært polarisert lys.

«Dette eksperimentet viste frem teknikkens evne til å produsere et dobbeltlags 'vannmerke' som er usynlig for det menneskelige øyet, og banet vei for avanserte antiforfalsknings-, kamuflasje- og sikkerhetsapplikasjoner.»

Ivan Sinev - Forsker ved Bionanophotonics Systems Lab.

Lyset som ble brukt var midt i det infrarøde området, noe som gjorde det relativt rimelig og enkelt å bruke.

Virkelige anvendelser av kiral kodingsteknologi

Det første anvendelsesfeltet for denne teknologien er avansert kryptering, tagging og andre tiltak mot forfalskning.

Ved hjelp av denne teknikken kan et unikt og hemmelig kodingsnivå, som bare er mulig med dette chirale verktøysettet for hånden, brukes til å bekrefte ektheten av sedler, ID-kort, betalingssystemer og andre identifikasjonssystemer.

Et annet alternativ kan være å bruke denne teknikken til å lage sensorer som er følsomme for kirale strukturer. Siden de fleste biologiske molekyler er kirale, kan dette brukes til å skille mellom venstre- og høyrehendte biomolekyler.

kilde: Natur

Siden systemet kan innstilles langs en gradient, kan det også tillate skalerbar registrering av chirale molekyler.

«Vi kan bruke kirale metastrukturer som vår til å for eksempel registrere legemiddelsammensetning eller renhet fra prøver med lite volum. Det kan utgjøre forskjellen mellom en medisin og et toksin,»

Felix Richter - Forsker ved Bionanophotonic Systems Lab.

Polarisert lys er også svært viktig i avanserte datasystemer som fremstår som et potensielt alternativ til dagens silisiumbrikker. Dette inkluderer fotonikk og optisk databehandling, samt kvantedatabehandling og kvantefotonikk.

Denne typen avstemmbart kiralt system kan brukes til å gjøre ytterligere fremskritt i kontrollen av polarisert lys, øke presisjonen og redusere kostnadene for slike verktøy for nye typer avansert databehandling.

Topp børsnoterte laser- og fotonikkselskap

Koherent (II-VI Marlow)En leder innen laserinnovasjon

Etter hvert som fotonikk og metamaterialer blir viktigere i mange bransjer, ser også markedet for hovedverktøyene for disse teknikkene, lasere, vokse.

Coherent er et stort industrikonglomerat med over 26,000 XNUMX ansatte og en ledende aktør innen laserteknologi. Det ble et resultat av fusjonen av det avanserte materialet II-VI Marlow med laserprodusenten Coherent.

Selskapet er ekspert på avanserte materialer som brukes i lasere, optikk og fotonikk, som indiumfosfid, epitaksiale wafere og galliumarsenid.

Den vokste i stor grad takket være flere oppkjøp i løpet av det siste tiåret, fra 600 millioner dollar i omsetning i 2013 til 4.7 milliarder dollar i 2024.

Selskapet får 29 % av inntektene sine direkte fra lasere, mens resten er knyttet til tilhørende utstyr som optisk fiber og elektronikk. Instrumenteringskategorien omfatter hovedsakelig biovitenskap og medisinske applikasjoner.

kilde: Sammenhengende

Tilstedeværelsen av selskapet i avanserte materialer som termofotovoltaikk (som vi diskuterte i en tidligere artikkel), silisiumkarbid, lasere og elektronikk hjelper den med å dra nytte av strukturelle trender som veksten innen presisjonsproduksjon, additiv produksjon (3D-printing), elektrifisering og fornybar energi.

Selskapet har nylig separerte silisiumkarbidvirksomheten sin til en ny enhet, eid 75 % av Coherent, mens resten eies likt av partnerne Mitsubishi Electric (som bringer silisiumkarbid-kraft-IP) og Denso (som bringer sin aktivitet som en billeverandør av elektrifisering og krafthalvledere).

Dette er fordi silisiumkarbid i økende grad er en egen teknologi, atskilt fra laser, og brukes hovedsakelig i høyeffektsapplikasjoner som elbiler, batterier og fornybar energi. (Du kan lese mer om silisiumkarbid i vår dedikerte investeringsrapport om denne teknologien.)

Coherents lasere gjør dem til en leder i LIDAR og 3D-digital sensing, inkludert for selvkjørende applikasjoner, bioteknologi Neste generasjons sekvensering (NGS) flytcellerog lasere for halvlederproduksjonDen forventer en vekst i hovedmarkedene på 8–20 %.

kilde: Sammenhengende

Andre potensielle nye bruksområder for lasere, som direkte energivåpen, fotonisk databehandling, kjernefusjon og romteknologi, kan alle bidra til å opprettholde selskapets langsiktige vekst.

Totalt sett er Coherent så nært som det kan komme et "pure play" børsnotert laserselskap for investorer som er interessert i sektoren, med sterk vertikal integrasjon og 3,100+ patenter som beskytter innovasjonene.

Etter hvert som fotonikk utvikler seg, vil den gradvis øke etterspørselen etter ultrasnelle og ultrapresis lasersystemer, samt lasere som brukes i optisk telekommunikasjon.

Siste nyheter og utvikling innen Coherent (COHR) aksjer

Studiereferert

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Kiralitetskoding i resonante metasoverflater styrt av gittersymmetrier. Nature communising§ 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}