Hvordan Kiraale Metasurface Transformerer Datakoding

Hva er Kiralitet? Utforsker Vitenskapen Bak Symmetri

I naturen er symmetri et grunnleggende trekk ved mange ting, inkludert komponentene i DNA og selve lyset. Det er mulig at to molekyler som er nesten identiske, kan avvike ikke i sammensetning eller form, men i deres orientering, et konsept kalt «kiralitet».

Kiralitet kan forklares på sin enkleste form som grunnen til at vår 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 biologi, hvor naturlig seleksjon har valgt eksklusivt «høyrehåndede» DNA-molekyler, sukker og aminosyrer (grunnkomponenten i proteiner).

Den samme typen fenomen kan forekomme med lys, som kan polariseres mot venstre eller høyre, og endrer retningen på dets elektriske felt.

Når et kiralt molekyl eksponeres for polariserte lys, varierer reaksjonen avhengig av retningen på lyspolariseringen.

Dette er et velkjent fenomen innen fysikk, men frem til nå var det for svakt til å 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 sine resultater i Nature Communications¹, under tittelen “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Hvordan Meta-Atomer Muliggjør Justerbare Kiraale Metasurface-er

Forskere har utviklet nye typer materialer, kalt metamaterialer, i flere tiår. Metamaterialer får nye egenskaper som ikke finnes i naturen, ikke kun fra deres sammensetning, men fra hvordan deres interne struktur er designet.

Meta-atomer er byggesteinene som metamaterialer er laget av.

Forskerne har utviklet 2D-gitter bestående av små elementer (meta-atomene) som enkelt kan justere sine kiraale egenskaper.

Kilde: Nature

Ved å variere orienteringen av meta-atomene i et gitter, kan forskere kontrollere den resulterende metasurface-ens interaksjon med polariserte lys.

Kilde: Nature

Et Kiraalt Verktøysett for Lysbasert Datakoding

Tidligere forsøk på å bruke kiralitet for å kontrollere interaksjon med lys hadde begrenset suksess. I stor grad skyldtes dette en for vanskelig tilnærming, med svært komplekse meta-atom-geometrier.

I stedet utnyttet de sveitsiske og australske forskerne samspillet mellom formen på meta-atomene og symmetrien i gitteret. De brukte en metasurface laget av germanium og kalsiumdifluorid.

Kilde: Nature

Som et resultat kunne de produsere en forutsigbar kiraal oppførsel, justerbar med enkle parametere, og dermed skape et universelt verktøysett for etterspørselbasert kiraal design.

Det inverterte metasurface-mønsteret ble skrevet ved hjelp av elektronstråle-litografi.

Dobbelt Datatransmisjon

Som et bevis på konseptet laget forskerne et bilde med 2 lag med data kodet av en metasurface, ett med normalt lys og ett med polariserte lys.

Kilde: Nature

«Transmisjonsbildet» ble kodet etter størrelsen på meta-atomene, og kunne dekodes ved bruk av upolarisert lys. «Kiraalbilde» ble kodet etter orienteringen av meta-atomene, og ble avslørt når det ble eksponert for sirkulært polariserte lys.

«Dette eksperimentet demonstrerte vår teknikk sin evne til å produsere et dobbeltlags «vannmerke» usynlig for det menneskelige øye, og baner vei for avanserte antikopiering, kamuflasje og sikkerhetsapplikasjoner,»

Ivan Sinev – Bionanophotonics Systems Lab forsker.

Lyset som ble brukt var i midten av infrarødt spektrum, noe som gjør det relativt rimelig og enkelt å bruke.

Virkelige Anvendelser av Kiraal Kodingsteknologi

Det første anvendelsesområdet for denne teknologien er avansert kryptering, merking og andre antikopierings‑tiltak.

Ved å bruke denne teknikken kan et unikt og hemmelig kodingsnivå, kun mulig med dette kiraale verktøysettet, brukes til å bekrefte ektheten til banknoter, ID‑kort, betalingssystemer og andre identifikasjonssystemer.

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

Kilde: Nature

Ettersom systemet kan justeres langs en gradient, kan det også muliggjøre skalerbar sensing av kiraale molekyler.

«Vi kan bruke kiraale metastrukturer som vår for å måle, for eksempel, legemiddelsammensetning eller renhet fra små prøvemengder. Det kan utgjøre forskjellen mellom et medikament og et giftstoff,»

Felix Richter – Bionanophotonic Systems Lab forsker.

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

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

Topp Offentlig Handlet Laser‑ og Fotonikk‑Selskap

Coherent (II-VI Marlow): En Leder innen Laserinnovasjon

Etter hvert som fotonikk og metamaterialer blir viktigere i mange industrier, ser de viktigste verktøyene for disse teknikkene, laserne, også markedet vokse.

Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26 000 ansatte og en leder innen laserteknologi. Det oppsto fra fusjonen av avanserte materialer II-VI (COHR ) Marlow med laserprodusenten Coherent.

Selskapet er ekspert på avanserte materialer som brukes i laser, optikk og fotonikk, som indiumfosfid, epitaksialskiver og galliumarsenid.

Det vokste betydelig takket være flere oppkjøp det siste tiåret, fra 600 millioner dollar i inntekter i 2013 til 4,7 milliarder dollar i 2024.

Selskapet får 29 % av inntektene direkte fra laser, mens resten er knyttet til tilhørende utstyr som optisk fiber og elektronikk. Instrumentasjonskategorien omfatter hovedsakelig livsvitenskap og medisinske anvendelser.

Kilde: Coherent

Selskapets tilstedeværelse i avanserte materialer som termofotovoltaikk (som vi diskuterte i en tidligere artikkel), silisiumkarbid, laser og elektronikk hjelper det å dra nytte av strukturelle trender som vekst i presisjonsproduksjon, additiv produksjon (3D‑printing), elektrifisering og fornybar energi.

Selskapet har nylig skilt ut sin silisiumkarbidvirksomhet i en ny enhet, 75 % eid av Coherent, med resten eid likt av sine partnere Mitsubishi Electric (som bidrar med silisiumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (som bidrar med sin aktivitet som billeverandør innen elektrifisering og kraft‑semikondensatorer).

Dette skyldes at silisiumkarbid i økende grad blir sin egen teknologi, adskilt fra laser, og hovedsakelig brukt i høy‑effekt‑applikasjoner som el‑biler, batterier og fornybar energi. (Du kan lese mer om silisiumkarbid i vår dedikerte investeringsrapport om denne teknologien.)

Coherents laser gjør dem til en leder innen LIDAR og 3D‑digital sensing, inkludert for selvkjørende applikasjoner, bioteknologi Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, og laser for halvlederproduksjon. De forventer at hovedmarkedene vil vokse med 8‑20 %.

Kilde: Coherent

Andre potensielle nye anvendelser av laser, som direkte energivåpen, fotonisk databehandling, kjernefysisk fusjon og romteknologi, kan også bidra til å opprettholde selskapets langsiktige vekst.

Alt i alt er Coherent så nært som mulig en «ren spill» offentlig handlet laserbedrift for investorer som er interessert i sektoren, med sterk vertikal integrasjon og over 3 100 patenter som beskytter deres innovasjoner.

Etter hvert som fotonikk utvikler seg, vil etterspørselen etter ultraraskt, ultranøyaktige lasersystemer, samt laser brukt i optisk telekommunikasjon, øke gradvis.

Siste Coherent (COHR) Aksjenyheter og Utviklinger

Studie Referert

^{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}