Hur Kiraala Metasurfaces Omvandlar 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 orsaken 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 “högervridna” DNA-molekyler, socker och aminosyror (baskomponenten i proteiner).

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

När en kiral molekyl utsätts 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 att kunna användas i 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.

They published their results in Nature Communications¹, under the title “Kiralitetkodning i resonanta metasurfaces styrda av gitter‑symmetrier”.

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 metamaterial är gjorda av.

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

Källa: Nature

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

Källa: Nature

Ett Kiralt 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 gjord av germanium och kalciumdifluorid.

Källa: Nature

Som ett resultat kunde de producera ett förutsägbart kiralt beteende, justerbart med enkla parametrar, och därmed skapa en universell verktygssats för efterfrågan på kiral 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

The “transmission image” was encoded by the size of the meta atoms, and could be decoded using unpolarized light. The “chiral image” was encoded by the orientation of the meta atoms, revealed when exposed to circularly polarized light.

“Detta experiment visade vår tekniks förmåga att producera ett dubbellager‑‘vattenmärke’ 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 Kiral Kodningsteknik

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

Genom att använda denna teknik kan en unik och hemlig nivå av kodning, som endast kan utföras med detta kirala verktygssats, användas för att certifiera äktheten hos banksedlar, ID‑kort, betalningssystem och andra identifieringssystem.

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

Källa: Nature

As the system can be tuned along a gradient, it could also allow for scalable sensing of chiral molecules.

“Vi kan använda kirala metastrukturer som våra för att exempelvis avläsa läkemedelskomposition eller renhet från små volymprover. Det kan göra skillnaden mellan ett läkemedel och ett gift,”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 kiralt 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 Offentligt Handlade Laser‑ & Fotonikföretag

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

Allteftersom fotonik och metamaterial blir viktigare i många industrier, ser de viktigaste verktygen för dessa tekniker, laser, också sin marknad växa.

Coherent är ett stort industriellt konglomerat med över 26 000 anställda och en ledare inom laserteknik. Det uppstod genom sammanslagningen av avancerat material II‑VI (COHR ) Marlow med laserproducenten Coherent.

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

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

Företaget får 29 % av sina intäkter direkt från laser, medan resten är kopplat till tillhörande utrustning som optisk fiber och elektronik. Instrumentationskategorin omfattar främst livsvetenskap 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 av precisionsproduktion, additiv tillverkning (3D‑utskrift), elektrifiering och förnybar energi.

Företaget har nyligen separerat sin kiselkarbidverksamhet till en ny enhet, där Coherent äger 75 %, med resten ägt lika av sina partners Mitsubishi Electric (som bidrar med kiselkarbid‑kraft‑IP) och Denso (som bidrar med sin verksamhet som biltillverkare inom elektrifiering och kraft‑semiconductor).

Detta beror på att kiselkarbid blir en alltmer egen teknik, separerad från laser, och främst används i högprestanda‑tillämpningar 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, bioteknik 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 som möjligt en “ren” börsnoterad laserföretag för investerare som är intresserade av sektorn, med stark vertikal integration och över 3 100 patent som skyddar deras innovationer.

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

Senaste Coherent (COHR) Aktienyheter och Utveckling

Studie Refererad

^{1. Sinev, I., Richter, F.U., Toftul, I. et al. Kiralitetkodning i resonanta metasurfaces styrda av gitter‑symmetrier. Nature Communications 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2}