Свет также может быть левосторонним или правосторонним. Когда световой луч поляризован по кругу, его электрическое поле закручивается в пространстве либо по левой, либо по правой спирали. Поскольку хиральные структуры по-разному взаимодействуют с этими двумя типами скрученных световых лучей, излучение света с круговой поляризацией на образец - и сравнение того, какая часть каждого скручивания поглощается, отражается или задерживается, - позволяет ученым определить принадлежность образца к собственной руке. Однако этот эффект чрезвычайно слаб, что делает точный контроль хиральности важной, но сложной задачей.

Теперь ученые из лаборатории бионанофотонных систем инженерной школы EPFL в сотрудничестве с австралийскими учеными создали искусственные оптические структуры, называемые метаповерхностями: двумерные решетки, состоящие из крошечных элементов (мета-атомов), которые могут легко настраивать свои хиральные свойства. Изменяя ориентацию метаатомов внутри решетки, ученые могут управлять взаимодействием результирующей метаповерхности с поляризованным светом.

"Наш "инструментарий хирального проектирования" элегантно прост и в то же время более эффективен, чем предыдущие подходы, которые пытались управлять светом с помощью очень сложной геометрии метаатомов. Вместо этого мы используем взаимодействие между формой мета-атома и симметрией решетки метаповерхности", - объясняет руководитель лаборатории бионанофотоники Хатидже Алтуг.

Инновация, которая имеет потенциальное применение в шифровании данных, биосенсорике и квантовых технологиях, была опубликована в Nature Communications.

Невидимый двухслойный водяной знак

Метаповерхность команды, изготовленная из дифторида германия и кальция, представляет собой градиент мета-атомов с ориентациями, которые непрерывно меняются вдоль чипа. Форма и углы расположения этих метаатомов, а также симметрия решетки - все это работает вместе, настраивая реакцию метаповерхности на поляризованный свет.

В эксперименте по проверке концепции ученые одновременно закодировали два разных изображения на метаповерхности, оптимизированной для невидимого среднего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра. Для первого изображения австралийского какаду данные изображения были закодированы в размере метаатомов - которые представляли собой пиксели - и декодированы неполяризованным светом. Второе изображение было закодировано с использованием ориентации метаатомов таким образом, чтобы при воздействии света с круговой поляризацией на метаповерхность было видно изображение культового швейцарского Маттерхорна.

"Этот эксперимент продемонстрировал способность нашей технологии создавать двухслойный "водяной знак", невидимый человеческому глазу, прокладывая путь к передовым приложениям для защиты от подделок, маскировки и обеспечения безопасности", - говорит исследователь лаборатории систем Бионанофотоники Иван Синев.

Помимо шифрования, подход команды имеет потенциальные приложения для квантовых технологий, многие из которых используют поляризованный свет для выполнения вычислений. Способность отображать хиральные реакции на больших поверхностях также могла бы упростить биосенсорику.

"Мы можем использовать хиральные метаструктуры, подобные нашей, для определения, например, состава лекарственного средства или чистоты образцов небольшого объема. Природа хиральна, и способность различать левосторонние и правосторонние молекулы крайне важна, поскольку это может сделать разницу между лекарством и токсином", - говорит исследователь лаборатории бионанофотонных систем Феликс Рихтер.