Уявіть собі пристрій, настільки тонкий і непомітний, що його практично неможливо побачити. Але досить лише направити на нього особливий, поляризоване світло, і воно оживає, розкриваючи перед вами приховані зображення і складні дані. Вчені зробили прорив, створивши метаповерхню, здатну “носити” і демонструвати два абсолютно різних зображення в залежності від напрямку обертання світла. Цей революційний інструмент відкриває двері в майбутнє шифрування нового покоління, безпрецедентної біосенсорики і перспективних квантових технологій.
Хіральність: ключ до розуміння природи світла і матерії
Спроба надіти ліву рукавичку на праву руку приречена на провал. Справа в тому, що вони є дзеркальними відображеннями, візуально схожими, але структурно несумісні. Це явище, яке називається “хіральність”, відіграє фундаментальну роль у біології, хімії та науці про матеріали. У природі більшість молекул ДНК і цукрів є “правою” конфігурацією, а більша частина амінокислот – “лівою”. Навіть незначна зміна структури молекули може порушити її функції. Наприклад, поживна речовина може втратити ефективність, а ліки – втратити свою цілющу силу або навіть стати небезпечним.
Світло, подібно матерії, також може мати певну “рукостискання”. Поляризоване круговим способом світло обертає своє електричне поле під час руху, утворюючи праву або ліву спіраль. Хіральні матеріали по-різному реагують на кожен тип поляризованого світла. Оцінюючи, як спіралі світла поглинаються, відбиваються або сповільнюються, вчені можуть дізнатися про власну хіральність матеріалу. Однак, взаємодія це вкрай тонке, і точне управління хіральністю довгий час залишалося складним завданням.
“Наш’ інструментарій хірального проектування ‘елегантний у своїй простоті і одночасно значно ефективніше попередніх підходів,” – говорить керівник лабораторії біонанофотонікі Хатідже Алтуг.
Метаповерхні: нові архітектори хіральності
Вчені з лабораторії БІОНАНОФОТОННИХ систем EPFL та їх австралійські колеги зробили прорив, створивши штучні оптичні структури – метаповерхні: двовимірні решітки, що складаються з крихітних елементів (метаатомів), здатних легко і точно налаштовувати свої хіральні властивості. Змінюючи орієнтацію метаатомів всередині решітки, дослідники можуть керувати взаємодією метаповерхні з поляризованим світлом.
“Наш’ інструментарій хірального проектування ‘ елегантний у своїй простоті і одночасно значно ефективніше попередніх підходів, які намагалися управляти світлом за допомогою надзвичайно складної геометрії метаатомів. Замість цього ми використовуємо взаємодію між формою мета-атома і симетрією кристалічної решітки метаповерхні,” – пояснює Хатідже Алтуг.
Двошарове кодування: два зображення в одному пристрої
Інноваційна метаповерхня, виготовлена з дифториду германію і кальцію, являє собою градієнт метаатомів, чия орієнтація безперервно змінюється вздовж кристала. Форма і кути нахилу цих метаатомів, а також симетрія кристалічної решітки працюють в унісон, налаштовуючи реакцію метаповерхні на поляризоване світло.
В ході експерименту для перевірки концепції вчені одночасно закодували два абсолютно різних зображення на метаповерхні, оптимізованої для невидимого середнього інфрачервоного діапазону електромагнітного спектра. Для першого зображення, символу австралійської фауни-какаду, дані були закодовані у вигляді розмірів метаатомів, що представляють собою пікселі, і декодовані при впливі неполяризованого світла. Друге зображення, величний Швейцарський Маттерхорн, було закодовано з використанням орієнтації метаатомів таким чином, що при впливі світла з круговою поляризацією на метаповерхні виявлялося його зображення.
Шифрування, сенсорика і квантове майбутнє: безмежні можливості
“Цей експеримент наочно продемонстрував здатність нашої технології створювати двошарові “водяні знаки”, невидимі неозброєним оком, відкриваючи шлях до передових систем захисту від несанкціонованого доступу, маскування та забезпечення безпеки, ” – говорить науковий співробітник лабораторії систем біонанофотоніки Іван Синєв.
Крім шифрування, технологія має величезний потенціал у квантових технологіях, багато з яких використовують поляризоване світло для виконання обчислень. Можливість відображення хіральних реакцій на великих поверхнях також може значно спростити біосенсорику.
Хіральне зондування: погляд у молекулярний світ
“Ми можемо використовувати такі хіральні метаструктури, як наша, щоб визначити, наприклад, склад або чистоту ліків за невеликим зразком. Природа сама хіральна, і здатність розрізняти лівосторонні і правосторонні молекули критично важлива, оскільки це дозволяє відрізнити ліки від токсину,” – зазначає дослідник лабораторії біонанофотонних систем Фелікс Ріхтер.
Довідка:” хіральне кодування в резонансних метаповерхнях, керованих симетріями кристалічної решітки ” Івана Сінева, Фелікса Ульріха Ріхтера, Івана Тофтула, Микити Глібова, Кирила Кошелєва, Йонсопа Хванга, Девіда г.Ланкастера, Юрія Ківшара та Хатідже Алтуга, Nature Communications, 2 липня 2025 року.
DOI: 10.1038/s41467-025-61221-2
