Hur Kiraala Metasurfaces Förvandlar Dataavkodning

Vad är Kiralitet? Utforska vetenskapen bakom symmetri

In nature, symmetry is a fundamental feature of many things, including the components of DNA and light itself. It is possible that two molecules almost identical to each other differ not in their composition or shape, but in their orientation, a concept called “chirality”.

Kiralitet kan förklaras i sin enklaste form som anledningen till att vår vänstra hand skiljer sig från vår högra hand, trots att båda händerna är identiska i form, struktur och funktion.

Kiralitet spelar en grundläggande roll i biologin, där naturligt urval uteslutande har valt “högerhänta” DNA-molekyler, socker och aminosyror (baskomponenten i proteiner).

Samma typ av fenomen kan förekomma med ljus, som kan polariseras åt vänster eller höger och därmed ändra riktningen på dess elektriska fält.

När en kiral molekyl exponeras för polariserat ljus skiljer sig reaktionen beroende på ljusets polariseringsriktning.

Detta är ett välkänt fenomen inom fysiken, men fram till nu var det för svagt för praktiska tillämpningar. Detta kan ha förändrats tack vare forskarnas arbete vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Schweiz), Australian National University och University of South Australia.

De publicerade sina resultat i Nature Communications¹, under titeln “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Hur Meta-atomer möjliggör justerbara kiraala metasurfaces

Scientists have been developing new types of materials, called metamaterials, for a few decades. Metamaterials derive new properties not found in nature, not from their composition alone, but from how their internal structure is designed.

Meta-atomer är byggstenarna som metasurfaces är gjorda av.

Forskarna har utvecklat 2D-gitter bestående av små element (meta-atomerna) som enkelt kan justera sina kiraala egenskaper.

Källa: Nature

Genom att variera orienteringen av meta-atomer inom ett gitter kan forskarna kontrollera den resulterande metasurfacens interaktion med polariserat ljus.

Källa: Nature

Ett kiraalt verktygssats för ljusbaserad dataavkodning

Previous attempts to use chirality to control interaction with light had limited success. In large part, this was due to a too difficult approach, using very complex meta-atom geometries.

Istället utnyttjade de schweiziska och australiensiska forskarna interaktionen mellan meta-atomerna form och gitterns symmetri. De använde en metasurface av germanium och kalciumdifluorid.

Källa: Nature

Som ett resultat kunde de producera ett förutsägbart kiraalt beteende, justerbart med enkla parametrar, vilket skapade ett universellt verktygssats för efterfrågebaserad kiraal design.

The inverted metasurface pattern was written using electron beam lithography.

Dubbel dataöverföring

As a proof-of-concept, the researchers created an image with 2 layers of data encoded by a metasurface, one with normal light and one with polarized light.

Källa: Nature

“Transmission image” kodades genom storleken på meta-atomerna och kunde avkodas med opolariserat ljus. “Kiral bild” kodades genom orienteringen av meta-atomerna och avslöjades när den exponerades för cirkulärt polariserat ljus.

“Detta experiment visade vår tekniks förmåga att producera ett dubbellager‑‘vattenmärke’ som är osynligt för det mänskliga ögat, vilket banar väg för avancerad anti‑förfalskning, kamouflage och säkerhetsapplikationer,”

Ivan Sinev – Bionanophotonics Systems Lab forskare.

The light used was in the middle of the infrared range, making it relatively low-cost and easy to use.

Verkliga tillämpningar av kiraal kodningsteknik

The first field of application of this technology is for advanced encryption, tagging, and other anticounterfeiting measures.

Med denna teknik kan en unik och hemlig kodningsnivå, endast möjlig med detta kiraala verktygssats, användas för att certifiera äktheten hos sedlar, ID‑kort, betalningssystem och andra identifieringssystem.

Ett annat alternativ kan vara att använda tekniken för att skapa sensorer som är känsliga för kiraala strukturer. Eftersom de flesta biologiska molekyler är kiraala, kan detta användas för att särskilja mellan vänster‑ och högrehands‑biomolekyler.

Källa: Nature

Eftersom systemet kan justeras längs ett gradient kan det också möjliggöra skalbar avkänning av kiraala molekyler.

“Vi kan använda kiraala metastrukturer som vår för att avkänna, till exempel, läkemedelskomposition eller renhet från små volymprover. Det kan göra skillnaden mellan ett läkemedel och ett toxin,”

Felix Richter – Bionanophotonic Systems Lab forskare.

Polariserat ljus är också mycket viktigt i avancerade datorsystem som framträder som ett potentiellt alternativ till nuvarande kiselchips. Detta inkluderar fotonik och optisk databehandling, samt kvantdatorer och kvantfotonik.

Denna typ av justerbart kiraalt system kan användas för att göra ytterligare framsteg i kontrollen av polariserat ljus, öka precisionen och minska kostnaden för sådana verktyg för nya typer av avancerad databehandling.

Toppnoterade publikt handlade laser- och fotonikföretag

Coherent (II-VI Marlow): En ledare inom laserinnovation

Allteftersom fotonik och metamaterial blir viktigare i många industrier, växer även marknaden för de huvudsakliga verktygen för dessa tekniker, lasererna.

Coherent är ett stort industriellt konglomerat med över 26 000 anställda och en ledare inom laserteknik. Företaget bildades genom sammanslagningen av det avancerade materialföretaget II‑VI Marlow med laserproducenten Coherent.

Företaget är expert på avancerade material som används i laser, optik och fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxiala skivor och galliumarsenid.

Det har vuxit kraftigt tack vare flera förvärv under det senaste decenniet, från 600 M USD i intäkter 2013 till 4,7 B USD 2024.

Företaget får 29 % av sina intäkter direkt från laserprodukter, medan resten är kopplat till tillhörande utrustning som optisk fiber och elektronik. Instrumentationskategorin omfattar främst livsvetenskaper och medicinska tillämpningar.

Källa: Coherent

Företagets närvaro inom avancerade material som termofotovoltaik (som vi diskuterade i en tidigare artikel), kiselkarbid, laser och elektronik hjälper det att dra nytta av strukturella trender som tillväxten inom precisionsproduktion, additiv tillverkning (3D‑utskrift), elektrifiering och förnybar energi.

Företaget har nyligen separerat sin kiselkarbidverksamhet till en ny enhet, 75 % ägd av Coherent, med resten ägd lika av sina partners Mitsubishi Electric (som bidrar med kiselkarbid‑kraft‑IP) och Denso (som bidrar med sin aktivitet som fordonsleverantör inom elektrifiering och kraft‑semiconductorer).

Detta beror på att kiselkarbid alltmer blir en egen teknik, separerad från laser, främst använd i högprestanda‑applikationer som elbilar, batterier och förnybar energi. (Du kan läsa mer om kiselkarbid i vår dedikerade investeringsrapport om denna teknik.)

Coherents laser gör dem till en ledare inom LIDAR och 3D‑digital avkänning, inklusive för självkörande applikationer, biotek Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, och laser för halvledartillverkning. De förväntar sig att deras huvudmarknader ska växa med 8‑20 %.

Källa: Coherent

Andra potentiella nya tillämpningar av laser, såsom direkta energivapen, fotonisk databehandling, kärnfusion och rymdteknik, kan alla lika väl bidra till att upprätthålla företagets långsiktiga tillväxt.

Sammanfattningsvis är Coherent så nära ett “ren‑spels” publikt handlat laserföretag som investerare intresserade av sektorn kan komma, med stark vertikal integration och över 3 100 patent som skyddar deras innovationer.

Allteftersom fotonik utvecklas kommer efterfrågan på ultrafast, ultra‑precisa lasersystem samt laser som används i optisk telekommunikation att öka successivt.

Senaste nyheter och utvecklingar för Coherent (COHR)-aktien

Studie refererad

^{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}