Como Metassuperfícies 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 da própria luz. É possível que duas moléculas quase idênticas entre si diferenciem 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 mão direita, apesar de ambas as mãos serem idênticas em forma, estrutura e função.

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

O mesmo tipo de fenômeno pode ocorrer com a luz, que pode ser polarizada para a esquerda ou para a direita, alterando a direção de 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 Australian National University e da University of South Australia.

Eles publicaram seus resultados na Nature Communications¹, sob o título “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Como os Metaátomos Permitem Metassuperfícies Quirais Ajustáveis

Os cientistas vêm desenvolvendo novos tipos de materiais, chamados metamateriais, há algumas décadas. Os metamateriais obtêm novas propriedades que não existem na natureza, não apenas por sua composição, mas pela forma como sua estrutura interna é projetada.

Metaátomos são os blocos dos quais os metamateriais são construídos.

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

Fonte: Nature

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

Fonte: Nature

Um Kit 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 difícil, usando geometrias de metaátomos muito complexas.

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

Fonte: Nature

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

O padrão da metassuperfície invertida foi gravado usando litografia por feixe de elétrons.

Transmissão de Dados Dual

Como prova de conceito, os pesquisadores criaram uma imagem com 2 camadas de dados codificadas por uma metassuperfície, uma com luz normal e outra com luz polarizada.

Fonte: Nature