Ученые создали метаповерхность, кодирующую два изображения: одно видимое, другое — в поляризованном свете

Метаатомы с различной ориентацией на хиральной метаповерхности. Автор: 2025 EPFL Bionanophotonic Systems Lab, CC BY SA 4.0

Используя концепцию хиральности (различия формы объекта и его зеркального отражения), ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали оптическую метаповерхность, управляющую светом. Это открывает простой и универсальный метод для безопасного шифрования, сенсорики и вычислений.

Представьте, что вы пытаетесь надеть левую перчатку на правую руку: она не подойдет, потому что левая и правая руки — зеркальные отражения, которые невозможно совместить. Это свойство ученые называют хиральностью, и оно играет ключевую роль в биологии, химии и материаловедении. Большинство молекул ДНК и сахаров — правовращающие, тогда как большинство аминокислот — левовращающие. Изменение хиральности молекулы может сделать питательное вещество бесполезным или превратить лекарство в неактивное или даже вредное соединение.

Свет также может быть «левым» или «правым». Когда световой луч поляризован по кругу, его электрическое поле закручивается в пространстве по спирали — либо влево, либо вправо. Поскольку хиральные структуры по-разному взаимодействуют с этими двумя типами закрученных световых пучков, ученые могут определять хиральность образца, освещая его циркулярно поляризованным светом и анализируя, сколько каждого типа света поглощается, отражается или задерживается. Однако этот эффект крайне слаб, что делает точный контроль хиральности важной, но сложной задачей.

Теперь ученые из Лаборатории бионанофотонных систем EPFL совместно с австралийскими коллегами создали искусственные оптические структуры — метаповерхности. Это двумерные решетки, состоящие из крошечных элементов (метаатомов), которые могут легко настраивать свои хиральные свойства. Меняя ориентацию метаатомов в решетке, исследователи контролируют взаимодействие метаповерхности с поляризованным светом.

Концепция хирального кодирования с использованием симметрии решетки и метаатомов. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61221-2

«Наш "набор инструментов для хирального дизайна" элегантно прост и при этом мощнее предыдущих подходов, которые пытались управлять светом через очень сложные геометрии метаатомов. Вместо этого мы используем взаимодействие между формой метаатома и симметрией решетки метаповерхности», — объясняет руководитель лаборатории Хатыдже Алтуг.

Инновация, имеющая потенциал для применения в шифровании данных, биосенсорике и квантовых технологиях, была опубликована в журнале Nature Communications.

Невидимый двухслойный водяной знак

Метаповерхность команды, созданная из германия и дифторида кальция, содержит градиент метаатомов, ориентация которых плавно меняется вдоль чипа. Форма и углы этих метаатомов, а также симметрия решетки работают вместе, чтобы настроить отклик метаповерхности на поляризованный свет.

Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61221-2

В эксперименте ученые закодировали два разных изображения одновременно на метаповерхности, оптимизированной для невидимого среднего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра. Первое изображение — австралийского какаду — было закодировано в размере метаатомов (представляющих пиксели) и декодировано с помощью неполяризованного света. Второе изображение — знаменитой швейцарской горы Маттерхорн — кодировалось ориентацией метаатомов и проявлялось только при освещении циркулярно поляризованным светом.

«Этот эксперимент продемонстрировал способность нашей техники создавать двухслойный "водяной знак", невидимый человеческому глазу, что открывает путь для передовых антиконтрафактных, камуфляжных и защитных технологий», — говорит исследователь Иван Синев.

Помимо шифрования, подход команды может найти применение в квантовых технологиях, многие из которых используют поляризованный свет для вычислений. Возможность картирования хиральных откликов на больших поверхностях также упростит биосенсорику.

«Мы можем использовать хиральные метаструктуры, подобные нашей, для определения, например, состава или чистоты лекарств из малых объемов образцов. Природа хиральна, и способность различать лево- и правовращающие молекулы критически важна — это может означать разницу между лекарством и токсином», — отмечает исследователь Феликс Рихтер.

Дополнительная информация: Ivan Sinev et al, Chirality encoding in resonant metasurfaces governed by lattice symmetries, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61221-2

Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne