Stellen Sie sich einen Chip vor, der so dünn ist, dass Sie kaum etwas sehen können – bis Sie ihn mit verzerrtem Licht beleuchten. Wissenschaftler haben eine Metaoberfläche entwickelt, die basierend auf der Polarisation des Lichts zwei unterschiedliche Bilder verbergen und sichtbar machen kann.
Diese Technologie nutzt sorgfältig angeordnete Nanostrukturen, um nicht nur das Auge zu täuschen, sondern öffnet auch die Tür zur nächsten Generation von Verschlüsselungs-, Biosensorik- und Quantentechnologien. Von unsichtbaren Wasserzeichen bis zur Prüfung der Arzneimittelreinheit nutzt dieses flache Gerät die grundlegende Physik der Händigkeit, um lange verborgene Geheimnisse aus Natur und Wissenschaft aufzudecken.
Der Versuch, einen Handschuh über die linke und rechte Hand zu ziehen, wird nicht funktionieren, da die beiden Spiegelbilder sind – sie sehen ähnlich aus, sind aber nicht in die gleiche Richtung ausgerichtet. Dieses als „Chiralität“ bekannte Konzept ist ein Schlüsselprinzip in der Biologie, Chemie und Materialwissenschaft. In der Natur sind die meisten DNA-Stränge und Zucker rechtsdrehend, während die meisten Aminosäuren linksdrehend sind. Wenn die Händigkeit eines Moleküls umgekehrt wird, funktioniert es nicht mehr richtig. Nährstoffe können unwirksam werden und Medikamente können ihre Wirkung verlieren oder sogar gefährlich werden.
Licht hat auch eine gewisse Händigkeit. Wenn Licht zirkular polarisiert ist, dreht sich sein elektrisches Feld, während es sich vorwärts ausbreitet, und bildet eine links- oder rechtsdrehende Spirale. Chirale Materialien reagieren unterschiedlich auf jede Lichtpolarisation. Indem Wissenschaftler zirkular polarisiertes Licht auf eine Substanz strahlen lassen und die Absorption, Reflexion oder Verzögerung jeder Helix messen, können sie etwas über die eigene Chiralität der Substanz erfahren. Da diese Wechselwirkungen jedoch äußerst subtil sind, ist die genaue Kontrolle der Chiralität seit langem eine Herausforderung.
Unterschiedlich orientierte Superatome auf chiralen Metaoberflächen. Bildquelle: 2025 EPFL Bio-Nanophotonic Systems Laboratory CC BY SA 4.0
Nun haben Wissenschaftler des Labors für BioNanophotonische Systeme an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in Australien eine künstliche optische Struktur namens „Metaoberfläche“ geschaffen: ein zweidimensionales Gitter aus winzigen Elementen (Superatomen), deren chirale Eigenschaften leicht eingestellt werden können. Durch Ändern der Ausrichtung von Metaatomen innerhalb des Kristallgitters können Wissenschaftler steuern, wie die resultierende Metaoberfläche mit polarisiertem Licht interagiert.
„Unser ‚chirales Design-Toolkit‘ ist elegant in seiner Einfachheit, aber dennoch leistungsfähiger als frühere Methoden zur Lichtsteuerung durch sehr komplexe superatomare Geometrien. Stattdessen nutzen wir das Zusammenspiel zwischen superatomaren Formen und Metaoberflächen-Gittersymmetrien“, erklärt Hatice Altug, Leiterin des BioNanophotonics Laboratory.
Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Innovation hat potenzielle Anwendungen in der Datenverschlüsselung, Biosensorik und Quantentechnologie.
Zwei verschiedene Bilder werden gleichzeitig auf einer Metaoberfläche kodiert, die für den unsichtbaren mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums optimiert ist. Bildquelle: 2025 EPFL Bio-Nanophotonic Systems Laboratory CC BY SA 4.0
Die Metaoberfläche des Teams, die aus Germanium und Calciumdifluorid besteht, weist eine Gradientenanordnung von Superatomen auf, deren Ausrichtung sich entlang des Chips kontinuierlich ändert. Die Form und der Winkel dieser Metaatome sowie die Gittersymmetrie wirken zusammen, um die Reaktion der Metaoberfläche auf polarisiertes Licht zu modulieren.
In einem Proof-of-Concept-Experiment kodierten die Wissenschaftler gleichzeitig zwei verschiedene Bilder auf einer Metaoberfläche, die für das unsichtbare mittlere Infrarotband des elektromagnetischen Spektrums optimiert war. Im ersten Bild eines australischen Kakadus wurden die Bilddaten in superatomaren Größen (die Pixel darstellen) kodiert und mit unpolarisiertem Licht dekodiert. Das zweite Bild kodiert die Ausrichtung der Metaatome, sodass die Metaoberfläche bei Einwirkung von zirkular polarisiertem Licht dem ikonischen Schweizer Matterhorn zu ähneln scheint.
„Dieses Experiment demonstriert die Fähigkeit unserer Technologie, ein für das menschliche Auge unsichtbares doppelschichtiges ‚Wasserzeichen‘ zu erzeugen und damit den Weg für fortschrittliche Fälschungsschutz-, Tarn- und Sicherheitsanwendungen zu ebnen“, sagte Ivan Sinev, Forscher am BioNanophotonic Systems Laboratory.
Neben der Verschlüsselung bietet die Methode des Teams potenzielle Anwendungen in Quantentechnologien, bei denen viele Berechnungen auf polarisiertem Licht basieren. Die Möglichkeit, chirale Reaktionen über große Oberflächenbereiche abzubilden, könnte auch die Biosensorik vereinfachen.
„Wir können chirale Überstrukturen wie unsere verwenden, um Informationen wie den Wirkstoffgehalt oder die Reinheit in kleinvolumigen Proben zu erfassen. Die Natur ist chiral und die Fähigkeit, linkshändige und rechtshändige Moleküle zu unterscheiden, ist entscheidend, weil sie zwischen Medikamenten und Toxinen unterscheiden kann“, sagte Felix Richter, Forscher am BioNanophotonic Systems Laboratory.
Zusammengestellt von /scitechdaily