تصور کنید یک تراشه آن‌قدر نازک است که تقریباً دیده نمی‌شود، تا زمانی‌که نور پیچ‌خورده را روی آن بتابانید. دانشمندان یک فراسطح (metasurface) توسعه داده‌اند که می‌تواند دو تصویر کاملاً متفاوت را بسته به قطبش نور (light’s polarization) پنهان و آشکار کند.
این فناوری با استفاده از نانو-ساختارهای دقیقاً چیدمان‌شده، فقط چشم را فریب نمی‌دهد بلکه راه را برای نسل بعدی رمزنگاری، حسگرهای زیستی و فناوری کوانتومی باز می‌کند. از واترمارک‌های نامرئی گرفته تا تشخیص خلوص دارو، این دستگاه از فیزیک بنیادی برای کشف رازهایی استفاده می‌کند که طبیعت و علم مدت‌ها پنهان نگه داشته بودند!
نور پیچ‌خورده و برهم‌کنش‌های کایرال
تلاش برای پوشیدن دستکش چپ در دست راست بی‌نتیجه است زیرا این دو آینه یکدیگرند، شبیه به نظر می‌رسند اما با هم هماهنگ نیستند. این مفهوم که به عنوان «کایرالیته» (chirality) شناخته می‌شود، یک اصل کلیدی در زیست‌شناسی، شیمی و علم مواد است. در طبیعت، بیشتر رشته‌های DNA و قندها راست‌دست هستند، در حالی‍که بیشتر اسیدهای آمینه چپ‌دست هستند. اگر دست‌راستی/دست‌چپ‌بودن یک مولکول عوض شود، ممکن است از عملکرد صحیح باز بماند. یک ماده مغذی ممکن است بی‌اثر شود، یا یک دارو ممکن است فواید خود را از دست بدهد و حتی خطرناک شود.
نور نیز می‌تواند نوعی از دست‌راستی/دست‌چپ‌بودن داشته باشد. هنگامی که نور مدور قطبیده (circularly polarized) است، میدان الکتریکی آن در حین حرکت به جلو می‌چرخد و یک مارپیچ چپ‌دست یا راست‌دست تشکیل می‌دهد. مواد کایرال (Chiral materials) به هر نوع نور قطبیده به‌طور متفاوتی پاسخ می‌دهند. با تاباندن نور مدور قطبیده بر روی یک ماده و اندازه‌گیری نحوه جذب، بازتاب یا تأخیر هر مارپیچ، دانشمندان می‌توانند درباره کایرالیته خود ماده اطلاعات کسب کنند. اما از آنجایی‌که این برهم‌کنش‌ها بسیار ظریف هستند، کنترل کایرالیته با دقت یک چالش دیرینه بوده است.
فراسطح‌ها: مهندسان کایرال جدید!
اکنون، دانشمندان آزمایشگاه سیستم‌های بیونانوفوتونیک در دانشکده مهندسی EPFL با دانشمندان استرالیایی همکاری کرده‌اند تا ساختارهای نوری مصنوعی به نام فراسطح‌ها را ایجاد کنند: شبکه‌های دو بعدی متشکل از عناصر کوچک (فرا-اتم‌ها) که می‌توانند به راحتی خواص کایرال خود را تنظیم کنند. با تغییر جهت‌گیری فرا-اتم‌ها در یک شبکه، دانشمندان می‌توانند برهم‌کنش فراسطح حاصل با نور قطبیده را کنترل کنند.
هاتیس آلتوگ، رئیس آزمایشگاه بیونانوفوتونیک توضیح می‌دهد:
جعبه‌ابزار طراحی کایرال ما به‌طرز ظریفی ساده و در عین حال قدرتمندتر از رویکردهای قبلی است که سعی در کنترل نور از طریق هندسه‌های فرا-اتمی بسیار پیچیده داشتند. در عوض، ما از تعامل بین شکل فرا-اتم و تقارن شبکه فراسطح بهره می‌بریم.
این نوآوری که کاربردهای بالقوه‌ای در رمزنگاری داده‌ها، حسگرهای زیستی و فناوری‌های کوانتومی دارد، در نشریه Nature Communications منتشر شده است.
واترمارک نوری دو لایه
فراسطح این تیم که از ژرمانیوم و دی‌فلوراید کلسیم ساخته شده است، گرادیانی از فرا-اتم‌ها را با جهت‌گیری‌هایی ارائه می‌دهد که به طور پیوسته در امتداد یک تراشه تغییر می‌کنند. شکل و زوایای این فرا-اتم‌ها، و همچنین تقارن شبکه، همگی برای تنظیم پاسخ فراسطح به نور قطبیده با هم کار می‌کنند.
در یک آزمایش اثبات مفهوم، دانشمندان دو تصویر مختلف را به‌طور همزمان روی یک فراسطح که برای طیف مادون قرمز میانی (mid-infrared) نامرئی بهینه شده بود، رمزگذاری کردند. برای اولین تصویر یک کاکادو استرالیایی، داده‌های تصویر در اندازه فرا-اتم‌ها – که نشان‌دهنده پیکسل‌ها بودند – رمزگذاری شده و با نور غیرقطبیده رمزگشایی شدند. تصویر دوم با استفاده از جهت‌گیری فرا-اتم‌ها رمزگذاری شد تا هنگامی که در معرض نور مدور قطبیده قرار گرفت، فراسطح تصویر ماترهورن (Matterhorn) نمادین سوئیس را آشکار کرد.
آینده امنیت، حسگرها و کوانتوم
ایوان سینف، پژوهشگر آزمایشگاه سیستم‌های بیونانوفوتونیک می‌گوید:
این آزمایش توانایی تکنیک ما را در تولید یک “واترمارک” دو لایه که برای چشم انسان نامرئی است، به نمایش گذاشت و راه را برای کاربردهای پیشرفته ضد جعل، استتار و امنیت هموار کرد.
فراتر از رمزنگاری، رویکرد این تیم کاربردهای بالقوه‌ای برای فناوری‌های کوانتومی دارد که بسیاری از آنها برای انجام محاسبات به نور قطبیده متکی هستند. توانایی نقشه‌برداری پاسخ‌های کایرال در سراسر سطوح بزرگ نیز می‌تواند حسگرهای زیستی را ساده‌تر کند.
حسگر کایرال برای تأثیرگذاری در دنیای واقعی
فلیکس ریشتر، پژوهشگر آزمایشگاه سیستم‌های بیونانوفوتونیک می‌گوید:
ما می‌توانیم از فراساختارهای کایرال مانند خودمان برای حس کردن، به عنوان مثال، ترکیب دارو یا خلوص دارو از نمونه‌های کوچک استفاده کنیم. طبیعت کایرال است، و توانایی تمایز بین مولکول‌های چپ‌دست و راست‌دست ضروری است، زیرا می‌تواند تفاوت بین یک دارو و یک سم باشد.
منبع: Scitechdaily
