Paano Binabago ng Chiral Metasurfaces ang Pag-encode ng Datos

Ano ang Chirality? Pagsusuri sa Agham sa Likod ng Simetriya

Sa kalikasan, ang simetriya ay isang pangunahing katangian ng maraming bagay, kabilang ang mga bahagi ng DNA at mismong liwanag. Posible na ang dalawang molekula na halos magkapareho ay nagkakaiba hindi sa kanilang komposisyon o hugis, kundi sa kanilang orientasyon, isang konsepto na tinatawag na “chirality”.

Maipapaliwanag ang chirality sa pinakasimpleng anyo bilang dahilan kung bakit nagkakaiba ang ating kaliwang kamay sa kanang kamay, kahit na pareho ang hugis, estruktura, at tungkulin ng dalawang kamay.

Ang chirality ay may pangunahing papel sa biyolohiya, kung saan ang natural na seleksyon ay pumili lamang ng mga “right-handed” na molekula ng DNA, asukal, at amino acid (ang batayang sangkap ng mga protina).

Ang parehong uri ng phenomenon ay maaaring mangyari sa liwanag, na maaaring ma-polarize patungo sa kaliwa o kanan, na nagbabago ng direksyon ng kanyang electric field.

Kapag inilantad ang isang chiral na molekula sa polarized na liwanag, nag-iiba ang reaksyon depende sa direksyon ng polarization ng liwanag.

Ito ay isang kilalang phenomenon sa pisika, ngunit hanggang ngayon ay napakahina nito upang magamit sa praktikal na aplikasyon. Maaaring nagbago ito dahil sa gawain ng mga mananaliksik sa École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL – Switzerland), Australian National University, at University of South Australia.

Inilathala nila ang kanilang mga resulta sa Nature Communications¹, sa pamagat na “Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries”.

Paano Nagbibigay-daan ang Meta-Atoms sa Tunable na Chiral Metasurfaces

Ilang dekada nang nagde-develop ang mga siyentipiko ng mga bagong uri ng materyales, na tinatawag na metamaterials. Ang mga metamaterials ay kumukuha ng mga bagong katangian na hindi matatagpuan sa kalikasan, hindi lamang mula sa kanilang komposisyon, kundi mula sa disenyo ng kanilang internal na estruktura.

Ang meta-atoms ay ang mga bloke kung saan binubuo ang mga metamaterials.

Nabuo ng mga mananaliksik ang 2D lattices na binubuo ng maliliit na elemento (ang meta-atoms) na madaling ma-tune ang kanilang mga chiral na katangian.

Pinagmulan: Nature

Sa pamamagitan ng pagbabago ng orientasyon ng mga meta-atom sa loob ng isang lattice, maaaring kontrolin ng mga siyentipiko ang pakikipag-ugnayan ng nalikhang metasurface sa polarized na liwanag.

Pinagmulan: Nature

Isang Chiral Toolkit para sa Pag-encode ng Data Gamit ang Liwanag

Ang mga naunang pagsubok na gamitin ang chirality upang kontrolin ang pakikipag-ugnayan sa liwanag ay may limitadong tagumpay. Sa malaking bahagi, ito ay dahil sa napakahirap na pamamaraan, gamit ang napaka-komplikadong geometry ng meta-atom.

Sa halip, sinamantala ng mga Swiss at Australian na mananaliksik ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng hugis ng mga meta-atom at ng simetriya ng lattice. Gumamit sila ng metasurface na gawa sa germanium at calcium difluoride.

Pinagmulan: Nature

Bilang resulta, nakagawa sila ng isang predictable na chiral na pag-uugali, na maaaring i-tune gamit ang simpleng mga parameter, kaya nilikha ang isang pangkalahatang toolkit para sa on-demand na disenyo ng chirality.

Ang inverted na pattern ng metasurface ay isinulat gamit ang electron beam lithography.

Dual na Paglipat ng Data

Bilang patunay ng konsepto, lumikha ang mga mananaliksik ng isang imahe na may 2 layer ng data na naka-encode ng metasurface, isa gamit ang normal na liwanag at isa gamit ang polarized na liwanag.

Pinagmulan: Nature

Ang “transmission image” ay na-encode batay sa laki ng mga meta-atom, at maaaring i-decode gamit ang hindi polarized na liwanag. Ang “chiral image” ay na-encode batay sa orientasyon ng mga meta-atom, na lumalantad kapag inilantad sa circularly polarized na liwanag.

“Ipinakita ng eksperimentong ito ang kakayahan ng aming teknik na lumikha ng dual layer na ‘watermark’ na hindi nakikita ng mata ng tao, na nagbubukas ng daan para sa advanced na anti-counterfeiting, camouflage, at mga aplikasyon sa seguridad,”

Ivan Sinev – Bionanophotonics Systems Lab mananaliksik.

Ang ginamit na liwanag ay nasa gitna ng infrared range, kaya ito ay medyo mura at madaling gamitin.

Mga Totoong Aplikasyon ng Teknolohiyang Chiral Encoding

Ang unang larangan ng aplikasyon ng teknolohiyang ito ay para sa advanced na encryption, tagging, at iba pang anti-counterfeiting na hakbang.

Sa pamamagitan ng teknik na ito, maaaring gamitin ang isang natatangi at lihim na antas ng pag-encode, na magagawa lamang gamit ang chiral toolkit na ito, upang patunayan ang pagiging tunay ng mga banknote, ID card, sistema ng pagbabayad, at iba pang mga sistema ng pagkakakilanlan.

Isa pang posibilidad ay gamitin ang teknik na ito upang lumikha ng mga sensor na sensitibo sa mga chiral na estruktura. Dahil karamihan sa mga molekulang biyolohikal ay chiral, maaaring magamit ito sa pagkakaiba ng mga left- at right-handed na biomolecule.

Pinagmulan: Nature

Dahil maaaring i-tune ang sistema sa isang gradient, maaari rin itong magbigay-daan sa scalable na pagsensing ng mga chiral na molekula.

“Maaari naming gamitin ang mga chiral metastructure tulad ng sa amin upang magsuri, halimbawa, ng komposisyon o kalinisan ng gamot mula sa maliliit na sample. Maaari itong magdala ng pagkakaiba sa pagitan ng gamot at toxin,”

Felix Richter – Bionanophotonic Systems Lab mananaliksik.

Mahalaga rin ang polarized na liwanag sa mga advanced na sistema ng computing na lumilitaw bilang potensyal na alternatibo sa kasalukuyang silicon chips. Kabilang dito ang photonics at optical computing, pati na rin ang quantum computing at quantum photonics.

Ang ganitong uri ng tunable na chiral system ay maaaring magamit upang mas mapabuti ang kontrol sa polarized na liwanag, na nagpapataas ng katumpakan at nagpapababa ng gastos ng mga ganitong kasangkapan para sa mga bagong uri ng advanced na computing.

Pinakamahusay na Publikong Nakakalistang Kumpanya ng Laser at Photonics

Coherent (II-VI Marlow): Isang Nangunguna sa Inobasyon ng Laser

Habang nagiging mas mahalaga ang photonics at metamaterials sa maraming industriya, ang pangunahing kasangkapan para sa mga teknik na ito, ang mga laser, ay nakikita ring lumalago ang kanilang merkado.

Ang Coherent ay isang malaking industrial conglomerate na may higit sa 26,000 na empleyado at nangunguna sa teknolohiyang laser. Ito ay resulta ng pagsasanib ng advanced material na II-VI (COHR ) Marlow sa gumagawa ng laser na Coherent.

Ang kumpanya ay eksperto sa mga advanced na materyales na ginagamit sa mga laser, optics, at photonics, tulad ng indium phosphide, epitaxial wafers, at gallium arsenide.

Lumago ito nang malaki dahil sa maraming acquisitions sa nakaraang dekada, mula $600M na kita noong 2013 hanggang $4.7B noong 2024.

Kinuha ng kumpanya ang 29% ng kita nito direkta mula sa mga laser, habang ang natitira ay nauugnay sa mga kagamitan tulad ng optical fiber at electronics. Ang kategorya ng instrumentation ay karamihan ay kinabibilangan ng life sciences at mga medikal na aplikasyon.

Pinagmulan: Coherent

Ang presensya ng kumpanya sa mga advanced na materyales tulad ng thermophotovoltaics (na tinalakay namin sa isang nakaraang artikulo), silicon carbide, mga laser, at electronics ay tumutulong dito na makinabang mula sa mga estruktural na trend tulad ng paglago ng precision manufacturing, additive manufacturing (3D printing), electrification, at renewable energies.

Kamakailan lamang, hiniwalay ng kumpanya ang kanyang silicon carbide na negosyo sa isang bagong entidad, na 75% pagmamay-ari ng Coherent, habang ang natitira ay pantay na pagmamay-ari ng mga kasosyo nitong Mitsubishi Electric (nagdadala ng silicon carbide power IP) at Denso (nagdadala ng kanilang aktibidad bilang automotive supplier sa electrification at power semiconductors).

Ito ay dahil ang silicon carbide ay nagiging sariling teknolohiya, hiwalay mula sa laser, na karaniwang ginagamit sa high-power na aplikasyon tulad ng EVs, baterya, at renewable energy.  (Maaari mong basahin ang higit pa tungkol sa silicon carbide sa aming dedikadong ulat sa pamumuhunan tungkol sa teknolohiyang ito.)

Ang mga laser ng Coherent ay ginagawa itong isang nangunguna sa LIDAR at 3D-digital sensing, kabilang ang mga aplikasyon para sa self-driving, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, at mga laser para sa semiconductor manufacturing. Inaasahan nitong lumago ang pangunahing mga merkado nito ng 8-20%.

Pinagmulan: Coherent

Ang iba pang posibleng bagong aplikasyon ng mga laser, tulad ng direct energy weapons, photonic computing, nuclear fusion, at spacetech, ay maaaring makatulong sa pagpapanatili ng pangmatagalang paglago ng kumpanya.

Sa pangkalahatan, ang Coherent ay pinakamalapit sa isang “pure play” na publikong nakalistang kumpanya ng laser para sa mga mamumuhunan na interesado sa sektor, na may malakas na vertical integration at higit sa 3,100 na patente na nagpoprotekta sa kanilang mga inobasyon.

Habang umuunlad ang photonics, patuloy nitong tataas ang pangangailangan para sa ultra-fast, ultra-precise na mga laser system, pati na rin ang mga laser na ginagamit sa optical telecommunications.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Stock ng Coherent (COHR)

Pag-aaral na Binanggit

^{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}