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 a própria luz. É possível que duas moléculas quase idênticas entre si diferam 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 selecionado exclusivamente moléculas de DNA, açúcar e aminoácidos “destros” (o componente base 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 Meta-Átomos Permitem Metassuperfícies Quirais Ajustáveis

Cientistas têm desenvolvido 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.

Meta-átomos são os blocos dos quais os metamateriais são feitos.

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

Fonte: Nature

Ao variar a orientação dos meta-átomos dentro de uma rede, os cientistas podem controlar a interação da metasuperfície resultante com a luz polarizada.

Fonte: Nature

Um Kit de Ferramentas Quirais 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 meta-átomos muito complexas.

Em vez disso, os pesquisadores suíços e australianos aproveitaram a interação entre a forma dos meta-átomos e a simetria da rede. Eles usaram uma metasuperfície 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 de ferramentas universal para design quiral sob demanda.

O padrão da metasuperfície invertida foi escrito 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 metasuperfície, uma com luz normal e outra com luz polarizada.

Fonte: Nature

A “imagem de transmissão” foi codificada pelo tamanho dos meta-átomos e pode ser decodificada usando luz não polarizada. A “imagem quiral” foi codificada pela orientação dos meta-átomos, revelada quando exposta à luz circularmente polarizada.

“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 anticounterfeiting, camuflagem e segurança,”

Ivan Sinev – pesquisador do Bionanophotonics Systems Lab.

A luz usada estava no meio da faixa do infravermelho, tornando-a relativamente de baixo custo e fácil de usar.

Aplicações Reais da Tecnologia de Codificação Quiral

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

Usando esta técnica, um nível único e secreto de codificação, possível apenas com este kit quiral em mãos, poderia ser usado para certificar a autenticidade de notas bancárias, cartões de identidade, sistemas de pagamento e outros sistemas de identificação.

Outra opção poderia ser usar esta técnica para criar sensores sensíveis a estruturas quirais. Como a maioria das moléculas biológicas são quirais, isso poderia ser usado para distinguir entre biomoléculas esquerdas e direitas.

Fonte: Nature

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

“Podemos usar metaestruturas quirais como a nossa para detectar, por exemplo, a composição ou pureza de medicamentos a partir de amostras de pequeno volume. Isso pode fazer a diferença entre um remédio e uma toxina,”

Felix Richter – pesquisador do Bionanophotonic Systems Lab.

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

Esse tipo de sistema quiral ajustável poderia ser usado para avançar ainda mais o controle da luz polarizada, aumentando a precisão e reduzindo o custo de tais ferramentas para novos tipos de computação avançada.

Principal Empresa de Laser e Fotônica de Capital Aberto

Coherent (II-VI Marlow): Um Líder em Inovação de Laser

À medida que a fotônica e os metamateriais se tornam mais importantes em muitas indústrias, as principais ferramentas para essas técnicas, os lasers, também estão vendo seu mercado crescer.

Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26.000 funcionários e líder em tecnologia de laser. Resultou da fusão do avançado material II-VI (COHR ) Marlow com o 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.

Cresceu significativamente graças a múltiplas aquisições na última década, passando 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, com o restante ligado a equipamentos associados como fibra óptica e eletrônicos. A categoria de instrumentação inclui principalmente ciências da vida e aplicações médicas.

Fonte: Coherent

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

A empresa separou recentemente sua divisão de carbeto de silício em uma nova entidade, 75% de propriedade da Coherent, com o restante igualmente detido por seus parceiros Mitsubishi Electric (trazendo IP de potência de carbeto de silício) e Denso (trazendo sua atividade como fornecedor automotivo em eletrificação e semicondutores de potência).

Isso ocorre porque o carbeto de silício está se tornando cada vez mais sua própria tecnologia, separada do laser, sendo usado principalmente em aplicações de alta potência como veículos elétricos, baterias e energia renovável. (Você pode ler mais sobre carbeto de silício em nosso relatório de investimento dedicado a essa tecnologia.)

Os lasers da Coherent a tornam líder em LIDAR e sensoriamento 3D digital, incluindo para aplicações de condução autônoma, biotecnologia Sequenciamento de Próxima Geração (NGS) Flow Cells, e lasers para fabricação de semicondutores. Espera que seus principais mercados cresçam de 8-20%.

Fonte: Coherent

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

No geral, a Coherent está o mais próximo possível de ser uma empresa de laser de “pure play” negociada publicamente 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 ultra-precisos, bem como lasers usados em telecomunicações ópticas.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Coherent (COHR)

Estudo Referenciado

^{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}