Stel je een chip voor die zo dun is dat je nauwelijks iets kunt zien, totdat je er vervormd licht op schijnt. Wetenschappers hebben een metasurface ontwikkeld dat twee verschillende afbeeldingen kan verbergen en onthullen op basis van de polarisatie van licht.

Deze technologie maakt gebruik van zorgvuldig gerangschikte nanostructuren om niet alleen het oog voor de gek te houden, maar opent ook de deur naar de volgende generatie van encryptie-, biosensor- en kwantumtechnologieën. Van onzichtbare watermerken tot het testen van de zuiverheid van medicijnen: dit platte apparaat maakt gebruik van de fundamentele fysica van handigheid om lang verborgen geheimen uit de natuur en de wetenschap te onthullen.

Proberen om een ​​handschoen aan je linkerhand aan te trekken zal niet werken omdat de twee spiegelbeelden zijn - ze lijken op elkaar, maar zijn niet in dezelfde richting uitgelijnd. Dit concept, bekend als 'chiraliteit', is een sleutelprincipe in de biologie, scheikunde en materiaalkunde. In de natuur zijn de meeste DNA-strengen en suikers rechtshandig, terwijl de meeste aminozuren linkshandig zijn. Als de handigheid van een molecuul wordt omgekeerd, functioneert het niet meer goed. Voedingsstoffen kunnen ineffectief worden en medicijnen kunnen hun voordelen verliezen of zelfs gevaarlijk worden.

Licht heeft ook enige handigheid. Wanneer licht circulair gepolariseerd is, roteert het elektrische veld ervan terwijl het zich voortplant, waardoor een links- of rechtsdraaiende spiraal ontstaat. Chirale materialen reageren anders op elke polarisatie van licht. Door circulair gepolariseerd licht op een stof te laten schijnen en de absorptie, reflectie of vertraging van elke helix te meten, kunnen wetenschappers meer te weten komen over de chiraliteit van de stof zelf. Maar omdat deze interacties uiterst subtiel zijn, is het nauwkeurig beheersen van de chiraliteit al lang een uitdaging.

Anders georiënteerde superatomen op chirale metasurfaces. Bron afbeelding: 2025 EPFL Bio-Nanophotonic Systems Laboratory CC BY SA 4.0

Nu hebben wetenschappers van het Laboratory of BioNanophotonic Systems van de EPFL's School of Engineering, in samenwerking met wetenschappers in Australië, een kunstmatige optische structuur gecreëerd die een 'metasurface' wordt genoemd: een tweedimensionaal rooster van kleine elementen (superatomen) waarvan de chirale eigenschappen gemakkelijk kunnen worden afgestemd. Door de oriëntatie van meta-atomen binnen het kristalrooster te veranderen, kunnen wetenschappers bepalen hoe het resulterende metasurface interageert met gepolariseerd licht.

"Onze 'chirale ontwerptoolkit' is elegant in zijn eenvoud, maar toch krachtiger dan eerdere methoden om licht te controleren door middel van zeer complexe superatomaire geometrieën. In plaats daarvan benutten we de wisselwerking tussen superatomaire vormen en metasurface-roostersymmetrieën", legt Hatice Altug, hoofd van het BioNanophotonics Laboratory, uit.

De innovatie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, heeft potentiële toepassingen in data-encryptie, biosensoren en kwantumtechnologie.

Twee verschillende beelden worden tegelijkertijd gecodeerd op een metasurface dat is geoptimaliseerd voor het onzichtbare midden-infraroodbereik van het elektromagnetische spectrum. Bron afbeelding: 2025 EPFL Bio-Nanophotonic Systems Laboratory CC BY SA 4.0

Het metasurface van het team, gemaakt van germanium en calciumdifluoride, vertoont een gradiëntopstelling van superatomen waarvan de oriëntatie voortdurend langs de chip verandert. De vorm en hoek van deze metaatomen, evenals de roostersymmetrie, werken samen om de reactie van het metasurface op gepolariseerd licht te moduleren.

In een proof-of-concept-experiment codeerden de wetenschappers tegelijkertijd twee verschillende beelden op een metasurface dat was geoptimaliseerd voor de onzichtbare midden-infrarode band van het elektromagnetische spectrum. In de eerste afbeelding van een Australische kaketoe werden de afbeeldingsgegevens gecodeerd in superatomaire formaten (die pixels vertegenwoordigen) en gedecodeerd met behulp van ongepolariseerd licht. De tweede afbeelding codeert de oriëntatie van de meta-atomen, zodat het metasurface bij blootstelling aan circulair gepolariseerd licht lijkt op de iconische Zwitserse Matterhorn.

"Dit experiment demonstreert het vermogen van onze technologie om een ​​dubbellaags 'watermerk' te genereren dat onzichtbaar is voor het menselijk oog, wat de weg vrijmaakt voor geavanceerde anti-namaak-, camouflage- en beveiligingstoepassingen", zegt Ivan Sinev, onderzoeker bij het BioNanophotonic Systems Laboratory.

Naast encryptie heeft de methode van het team potentiële toepassingen in kwantumtechnologieën, waarvan er vele voor berekeningen afhankelijk zijn van gepolariseerd licht. Het vermogen om chirale reacties over grote oppervlakken in kaart te brengen zou ook biosensoren kunnen vereenvoudigen.

"We kunnen chirale superstructuren zoals de onze gebruiken om informatie zoals de inhoud van medicijnen of de zuiverheid in monsters van kleine volumes waar te nemen. De natuur is chiraal en het vermogen om linkshandige en rechtshandige moleculen te onderscheiden is van cruciaal belang omdat het onderscheid kan maken tussen medicijnen en toxines", zegt Felix Richter, onderzoeker bij het BioNanophotonic Systems Laboratory.

Samengesteld uit /scitechdaily