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La luz revela secretos codificados en metasuperficies quirales

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Aprovechando el concepto de quiralidad, o la diferencia entre una forma y su imagen especular, los científicos de la EPFL han diseñado una metasuperficie óptica que controla la luz para producir una técnica simple y versátil para encriptación, detección y computación seguras.

Imagina intentar usar un guante para zurdos en la mano derecha: no te queda bien porque ambas manos son imágenes especulares que no pueden superponerse. Esta «lateralidad» es lo que los científicos llaman quiralidad y desempeña un papel fundamental en biología, química y ciencia de los materiales. La mayoría de las moléculas de ADN y azúcares son dextrógiras, mientras que la mayoría de los aminoácidos son levógiras. Invertir la lateralidad de una molécula puede inutilizar un nutriente o inactivar e incluso dañar un fármaco.

La luz también puede ser zurda o dextrógira. Cuando un haz de luz se polariza circularmente, su campo eléctrico se mueve en espiral a través del espacio, ya sea zurda o dextrógira. Dado que las estructuras quirales interactúan de forma diferente con estos dos tipos de haces de luz torcidos, proyectar una luz polarizada circularmente sobre una muestra —y comparar cuánto de cada torsión se absorbe, refleja o retrasa— permite a los científicos interpretar la quiralidad de la muestra. Sin embargo, este efecto es extremadamente débil, lo que convierte el control preciso de la quiralidad en una tarea esencial, aunque compleja.

Nuestro «kit de herramientas de diseño quiral» es elegantemente simple y, sin embargo, más poderoso que los enfoques anteriores.Hatice Altug, directora del Laboratorio de Bionanofotónica

Ahora, científicos del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos de la Escuela de Ingeniería de la EPFL han colaborado con investigadores australianos para crear estructuras ópticas artificiales llamadas metasuperficies: redes bidimensionales compuestas por elementos diminutos (metaátomos) que pueden ajustar fácilmente sus propiedades quirales. Al variar la orientación de los metaátomos dentro de una red, los científicos pueden controlar la interacción de la metasuperficie resultante con la luz polarizada.

“Nuestro ‘kit de herramientas de diseño quiral’ es elegantemente simple y, sin embargo, más potente que los enfoques anteriores, que buscaban controlar la luz mediante geometrías metaatómicas muy complejas. En su lugar, aprovechamos la interacción entre la forma del metaátomo y la simetría de la red de la metasuperficie”, explica Hatice Altug, directora del Laboratorio de Bionanofotónica.

La innovación, que tiene aplicaciones potenciales en el cifrado de datos, la biodetección y las tecnologías cuánticas, se ha publicado en Nature Communications .

Una marca de agua invisible de doble capa

La metasuperficie del equipo, compuesta de germanio y difloruro de calcio, presenta un gradiente de metaátomos con orientaciones que varían continuamente a lo largo del chip. La forma y los ángulos de estos metaátomos, así como la simetría reticular, contribuyen a ajustar la respuesta de la metasuperficie a la luz polarizada.

En un experimento de prueba de concepto, los científicos codificaron dos imágenes diferentes simultáneamente en una metasuperficie optimizada para el rango invisible del infrarrojo medio del espectro electromagnético. Para la primera imagen de una cacatúa australiana, los datos de la imagen se codificaron según el tamaño de los metaátomos (que representaban píxeles) y se decodificaron con luz no polarizada. La segunda imagen se codificó utilizando la orientación de los metaátomos, de modo que, al exponerse a luz polarizada circularmente, la metasuperficie reveló una imagen del icónico Cervino suizo.

«Este experimento demostró la capacidad de nuestra técnica para producir una ‘marca de agua’ de doble capa invisible para el ojo humano, allanando el camino para aplicaciones avanzadas de lucha contra la falsificación, camuflaje y seguridad», afirma el investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos Ivan Sinev.

Más allá del cifrado, el enfoque del equipo tiene aplicaciones potenciales para las tecnologías cuánticas, muchas de las cuales se basan en luz polarizada para realizar cálculos. La capacidad de mapear respuestas quirales en grandes superficies también podría optimizar la biodetección.

Podemos usar metaestructuras quirales como la nuestra para detectar, por ejemplo, la composición o la pureza de un fármaco en muestras de pequeño volumen. La naturaleza es quiral, y la capacidad de distinguir entre moléculas levógiras y dextrógiras es esencial, ya que podría marcar la diferencia entre un medicamento y una toxina, afirma Felix Richter, investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.

Referencias

Sinev, I., Richter, FU, Toftul, I. et al. Codificación de quiralidad en metasuperficies resonantes gobernadas por simetrías reticulares. Nat Commun 16, 6091 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61221-2

EPFL News. Traducido al español

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