Como as metasuperfícies quirais estão transformando a codificação de dados

O que é quiralidade? Explorando a ciência por trás da simetria

Na natureza, a simetria é uma característica fundamental de muitas coisas, incluindo os componentes do DNA e a própria luz. É possível que duas moléculas quase idênticas difiram não em sua composição ou forma, mas em sua orientação, um conceito chamado "quiralidade".

A quiralidade pode ser explicada em sua forma mais simples como a razão pela qual nossa mão esquerda difere da nossa mão direita, apesar de ambas as mãos serem idênticas em formato, estrutura e função.

A quiralidade desempenha um papel fundamental na biologia, com a seleção natural tendo selecionado exclusivamente moléculas de DNA, açúcar e aminoácidos (o componente básico das proteínas) “destros”.

O mesmo tipo de fenômeno pode ocorrer com a luz, que pode ser polarizada para a esquerda ou para a direita, mudando a direção do seu campo elétrico.

Ao expor uma molécula quiral à luz polarizada, a reação difere dependendo da direção da polarização da luz.

Este é um fenômeno bem conhecido na física, mas até agora era fraco demais para ser usado em aplicações práticas. Isso pode ter mudado graças ao trabalho de pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Suíça), da Universidade Nacional Australiana e da Universidade da Austrália do Sul.

Eles publicaram seus resultados na Nature Communications¹, Sob o título "Codificação de quiralidade em metassuperfícies ressonantes governadas por simetrias de rede".

Como os metaátomos possibilitam metassuperfícies quirais ajustáveis

Cientistas vêm desenvolvendo novos tipos de materiais, chamados metamateriais, há algumas décadas. Os metamateriais derivam novas propriedades não encontradas na natureza, não apenas de sua composição, mas de como sua estrutura interna é projetada.

Metaátomos são os blocos dos quais os metamateriais são feitos.

Os pesquisadores desenvolveram redes 2D compostas de pequenos elementos (os metaátomos) que podem facilmente ajustar suas propriedades quirais.

Fonte: Natureza

Ao variar a orientação dos metaátomos dentro de uma rede, os cientistas podem controlar a interação da metassuperfície resultante com a luz polarizada.

Fonte: Natureza

Um kit de ferramentas quiral para codificação de dados baseada em luz

Tentativas anteriores de usar a quiralidade para controlar a interação com a luz tiveram sucesso limitado. Em grande parte, isso se deveu a uma abordagem muito complexa, que utilizava geometrias de metaátomos muito complexas.

Em vez disso, os pesquisadores suíços e australianos aproveitaram a interação entre o formato dos metaátomos e a simetria da rede. Eles usaram uma metassuperfície feita de germânio e difluoreto de cálcio.

Fonte: Natureza

Como resultado, eles puderam produzir um comportamento quiral previsível, ajustável por parâmetros simples, criando assim um kit de ferramentas universal para design quiral sob demanda.

O padrão de metassuperfície invertido foi escrito usando litografia de feixe de elétrons.

Transmissão Dupla de Dados

Como prova de conceito, os pesquisadores criaram uma imagem com duas camadas de dados codificados por uma metassuperfície, uma com luz normal e outra com luz polarizada.

Fonte: Natureza

A "imagem de transmissão" foi codificada pelo tamanho dos metaátomos e pôde ser decodificada usando luz não polarizada. A "imagem quiral" foi codificada pela orientação dos metaátomos, revelada quando expostos à luz polarizada circularmente.

“Este experimento demonstrou a capacidade da nossa técnica de produzir uma 'marca d'água' de camada dupla invisível ao olho humano, abrindo caminho para aplicações avançadas de combate à falsificação, camuflagem e segurança.”

Ivan Sinev - Pesquisador do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos.

A luz utilizada estava no meio da faixa do infravermelho, o que a tornava relativamente barata e fácil de usar.

Aplicações do mundo real da tecnologia de codificação quiral

O primeiro campo de aplicação dessa tecnologia é para criptografia avançada, marcação e outras medidas antifalsificação.

Usando essa técnica, um nível único e secreto de codificação, possível somente com esse kit de ferramentas quiral em mãos, poderia ser usado para certificar a autenticidade de notas bancárias, carteiras de identidade, sistemas de pagamento e outros sistemas de identificação.

Outra opção seria usar essa técnica para criar sensores sensíveis a estruturas quirais. Como a maioria das moléculas biológicas é quiral, isso poderia ser usado para distinguir entre biomoléculas destras e canhotas.

Fonte: Natureza

Como o sistema pode ser ajustado ao longo de um gradiente, ele também pode permitir a detecção escalonável de moléculas quirais.

Podemos usar metaestruturas quirais como a nossa para detectar, por exemplo, a composição ou a pureza de um fármaco em amostras de pequeno volume. Isso pode fazer a diferença entre um medicamento e uma toxina.

Félix Richter - Pesquisador do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos.

A luz polarizada também é muito importante em sistemas de computação avançados, que surgem como uma alternativa potencial aos atuais chips de silício. Isso inclui fotônica e computação óptica, bem como computação quântica e fotônica quântica.

Esse tipo de sistema quiral ajustável poderia ser usado para fazer mais progressos no controle da luz polarizada, aumentando a precisão e reduzindo o custo dessas ferramentas para novos tipos de computação avançada.

Principal empresa de laser e fotônica de capital aberto

Coerente (II-VI Marlow): Um líder em inovação a laser

À medida que a fotônica e os metamateriais se tornam mais importantes em muitos setores, as principais ferramentas para essas técnicas, os lasers, também veem seu mercado crescer.

A Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26,000 funcionários e líder em tecnologia laser. Resultou da fusão da empresa de materiais avançados II-VI Marlow com a fabricante de lasers Coherent.

A empresa é especialista em materiais avançados usados ​​em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafers epitaxiais e arseneto de gálio.

Ela cresceu em grande parte graças a múltiplas aquisições na última década, de US$ 600 milhões em receitas em 2013 para US$ 4.7 bilhões em 2024.

A empresa obtém 29% de sua receita diretamente de lasers, sendo o restante vinculado a equipamentos associados, como fibra óptica e eletrônicos. A categoria de instrumentação abrange principalmente ciências biológicas e aplicações médicas.

Fonte: Coerente

A presença da empresa em materiais avançados como a termofotovoltaica (que discutimos em um artigo anterior), carboneto de silício, lasers e eletrônicos ajudam a empresa a se beneficiar de tendências estruturais como o crescimento da manufatura de precisão, manufatura aditiva (impressão 3D), eletrificação e energias renováveis.

A empresa tem recentemente separou seu negócio de carboneto de silício em uma nova entidade, de propriedade de 75% da Coherent, com o restante sendo de propriedade igualitária de seus parceiros Mitsubishi Electric (trazendo propriedade intelectual de carboneto de silício) e Denso (trazendo sua atividade como fornecedora automotiva para eletrificação e semicondutores de potência).

Isso ocorre porque o carboneto de silício é cada vez mais uma tecnologia própria, separada do laser, usada principalmente em aplicações de alta potência, como veículos elétricos, baterias e energia renovável. (Você pode ler mais sobre carboneto de silício em nosso relatório de investimento dedicado sobre esta tecnologia.)

Os lasers da Coherent a tornam líder em LIDAR e detecção digital 3D, incluindo para aplicações de direção autônoma, biotecnologia Células de fluxo de sequenciamento de próxima geração (NGS) e lasers para fabricação de semicondutores. Ela espera que seus principais mercados cresçam de 8% a 20%.

Fonte: Coerente

Outras possíveis novas aplicações de lasers, como armas de energia direta, computação fotônica, fusão nuclear e tecnologia espacial, poderiam igualmente ajudar a sustentar o crescimento de longo prazo da empresa.

No geral, a Coherent é o mais próximo que pode chegar de uma empresa de laser de capital aberto “pure play” para investidores interessados ​​no setor, com forte integração vertical e mais de 3,100 patentes protegendo suas inovações.

À medida que a fotônica avança, aumentará progressivamente a demanda por sistemas de laser ultrarrápidos e ultraprecisos, bem como por lasers usados ​​em telecomunicações ópticas.

Últimas notícias e desenvolvimentos sobre ações da Coherent (COHR)

Estudo Referenciado

^{1. Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et ai. Codificação de quiralidade em metassuperfícies ressonantes governadas por simetrias de rede. Nature comumicaçãos 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}