Dengan memanfaatkan konsep kiralitas, atau perbedaan bentuk dari citra cerminnya, para ilmuwan telah merekayasa permukaan metasur optik yang mengontrol cahaya untuk menghasilkan teknik sederhana dan serbaguna untuk enkripsi, penginderaan, dan komputasi yang aman.
Bayangkan mencoba mengenakan sarung tangan kidal di tangan kanan Anda: tidak pas karena tangan kiri dan kanan adalah gambar cermin yang tidak dapat ditumpangkan satu sama lain. 'Kidal' ini adalah apa yang oleh para ilmuwan disebut chirality, dan memainkan peran mendasar dalam biologi, kimia, dan ilmu material. Sebagian besar molekul DNA dan gula adalah tangan kanan, sementara sebagian besar asam amino kidal. Membalikkan kidal molekul dapat membuat nutrisi tidak berguna atau obat tidak aktif dan bahkan berbahaya.
Cahaya juga bisa dibiarkan atau kanan 'tangan'. Ketika sinar cahaya terpolarisasi secara melingkar, medan listriknya membatalkan ruang melalui ruang di spiral kidal atau kidal. Karena struktur kiral berinteraksi secara berbeda dengan dua jenis balok cahaya yang dipelintir ini, menyinari cahaya terpolarisasi secara melingkar pada sampel – dan membandingkan berapa banyak setiap putaran diserap, dipantulkan, atau tertunda – memungkinkan para ilmuwan membacakan kidal sampel sendiri. Namun, efek ini sangat lemah, yang menjadikan kontrol kiralitas yang tepat sebagai tugas yang penting tetapi menantang.
'Toolkit Desain Kiral' kami sangat sederhana, namun lebih kuat dari pendekatan sebelumnya.
Bionanophotonics lab head head altug
Sekarang, para ilmuwan dari Laboratorium Sistem Bionanophotonic di Sekolah Teknik EPFL telah berkolaborasi dengan yang ada di Australia untuk membuat struktur optik buatan yang disebut metasurfaces: kisi 2D yang terdiri dari elemen-elemen kecil (meta-atom) yang dapat dengan mudah menyetel sifat kiral mereka. Dengan memvariasikan orientasi meta-atom dalam kisi, para ilmuwan dapat mengendalikan interaksi metasurface yang dihasilkan dengan cahaya terpolarisasi.
“'Toolkit Desain Kiral' kami sangat sederhana, namun lebih kuat dari pendekatan sebelumnya, yang mencoba mengontrol cahaya melalui geometri meta-atom yang sangat kompleks. Sebaliknya, kami memanfaatkan interaksi antara bentuk meta-atom dan simetri dari Metasurface Lattice,” jelas laborik altomonik Bionanophotonics Hatice.
Inovasi, yang memiliki aplikasi potensial dalam enkripsi data, biosensing, dan teknologi kuantum, telah diterbitkan di Komunikasi Alam.
Tanda air lapisan ganda yang tidak terlihat
Metasurface tim, terbuat dari germanium dan kalsium difloride, menyajikan gradien meta-atom dengan orientasi yang bervariasi terus menerus di sepanjang chip. Bentuk dan sudut meta-atom ini, serta simetri kisi, semuanya bekerja bersama untuk menyesuaikan respons permukaan metasur terhadap cahaya terpolarisasi.
Dalam percobaan bukti konsep, para ilmuwan mengkodekan dua gambar berbeda secara bersamaan pada permukaan metasur yang dioptimalkan untuk kisaran inframerah-pertengahan spektrum elektromagnetik yang tidak terlihat. Untuk gambar pertama dari Australian Cockatoo, data gambar dikodekan dalam ukuran meta -atom – yang mewakili piksel – dan diterjemahkan dengan cahaya yang tidak terpolarisasi. Gambar kedua dikodekan menggunakan orientasi meta-atom sehingga, ketika terpapar cahaya terpolarisasi secara melingkar, permukaan metasur mengungkapkan gambar ikonal materi swiss yang ikonik.
“Eksperimen ini memamerkan kemampuan teknik kami untuk menghasilkan lapisan ganda 'watermark' yang tidak terlihat oleh mata manusia, membuka jalan bagi aplikasi antikounterfeiting, kamuflase dan keamanan canggih,” kata peneliti laboratorium sistem bionanophotonics Ivan Sinev.
Di luar enkripsi, pendekatan tim memiliki aplikasi potensial untuk teknologi kuantum, banyak di antaranya mengandalkan cahaya terpolarisasi untuk melakukan perhitungan. Kemampuan untuk memetakan respons kiral di permukaan besar juga dapat merampingkan biosensing.
“Kita dapat menggunakan metastruktur kiral seperti kita untuk merasakan, misalnya, komposisi obat atau kemurnian dari sampel volume kecil. Alamnya adalah kiral, dan kemampuan untuk membedakan antara molekul kidal dan kidal sangat penting, karena dapat membuat perbedaan antara obat dan racun,” kata peneliti sistem bionanofotononik bionanofotonik Felix Richter.
Referensi
Sinev, I., Richter, Fu, Toftul, I. et al. Pengkodean kiralitas dalam metasurfaces resonansi yang diatur oleh kisi simetri. Nat Commun 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2
