تخيل شريحة رقيقة جدًا لدرجة أنك بالكاد تستطيع رؤية أي شيء، حتى يتم تسليط ضوء مشوه عليها. طور العلماء سطحًا خارقًا يمكنه إخفاء وكشف صورتين مختلفتين بناءً على استقطاب الضوء.

تستخدم هذه التقنية هياكل نانوية مرتبة بعناية ليس فقط لخداع العين، ولكنها تفتح الباب أيضًا أمام الجيل التالي من تقنيات التشفير والاستشعار الحيوي والتقنيات الكمومية. من العلامات المائية غير المرئية إلى اختبار نقاء الدواء، يستغل هذا الجهاز المسطح الفيزياء الأساسية لاستخدام إحدى اليدين للكشف عن الأسرار المخفية منذ فترة طويلة من الطبيعة والعلم.

إن محاولة وضع قفاز على يدك اليسرى على يدك اليمنى لن تنجح لأن الاثنين صورتان معكوستان - تبدوان متشابهتين ولكنهما غير محاذيتين في نفس الاتجاه. هذا المفهوم، المعروف باسم "اللامركزية"، هو مبدأ أساسي في علم الأحياء والكيمياء وعلوم المواد. في الطبيعة، تكون معظم سلاسل الحمض النووي والسكريات أيمنية، في حين أن معظم الأحماض الأمينية تكون أيمنية. إذا تم عكس سيطرة الجزيء، فإنه يتوقف عن العمل بشكل صحيح. يمكن أن تصبح العناصر الغذائية غير فعالة ويمكن أن تفقد الأدوية فوائدها أو حتى تصبح خطيرة.

للضوء أيضًا بعض السيطرة. عندما يكون الضوء مستقطبًا بشكل دائري، يدور مجاله الكهربائي أثناء انتشاره للأمام، مكونًا دوامة يسارية أو يمينية. تستجيب المواد اللولبية بشكل مختلف لكل استقطاب للضوء. من خلال تسليط ضوء مستقطب دائريًا على مادة ما وقياس الامتصاص أو الانعكاس أو التخلف لكل حلزون، يمكن للعلماء التعرف على عدم التناظرية الخاصة بالمادة. ولكن نظرًا لأن هذه التفاعلات دقيقة للغاية، فإن التحكم الدقيق في عدم التناظرية كان يمثل تحديًا طويل الأمد.

ذرات فائقة موجهة بشكل مختلف على الأسطح الفوقية اللولبية. مصدر الصورة: 2025 EPFL Bio-Nanophotonic Systems Laboratory CC BY SA 4.0

الآن، قام علماء من مختبر الأنظمة الحيوية النانوية في كلية الهندسة في EPFL، بالتعاون مع علماء في أستراليا، بإنشاء بنية بصرية اصطناعية تسمى "السطح الخارق": شبكة ثنائية الأبعاد من العناصر الصغيرة (الذرات الفائقة) التي يمكن ضبط خصائصها اللولبية بسهولة. ومن خلال تغيير اتجاه الذرات الخارقة داخل الشبكة البلورية، يستطيع العلماء التحكم في كيفية تفاعل السطح الناتج مع الضوء المستقطب.

تشرح هاتيس ألتوغ، رئيسة مختبر BioNanophotonics: "إن مجموعة أدوات التصميم اللولبي الخاصة بنا أنيقة في بساطتها، لكنها أقوى من الأساليب السابقة للتحكم في الضوء من خلال أشكال هندسية فائقة التعقيد. وبدلاً من ذلك، نحن نستغل التفاعل بين الأشكال فائقة الذرة وتناظرات الشبكة السطحية الفائقة".

الابتكار، الذي نشر في مجلة Nature Communications، له تطبيقات محتملة في تشفير البيانات والاستشعار الحيوي وتكنولوجيا الكم.

يتم تشفير صورتين مختلفتين في وقت واحد على سطح خارق محسّن لنطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط ​​غير المرئي للطيف الكهرومغناطيسي. مصدر الصورة: 2025 EPFL Bio-Nanophotonic Systems Laboratory CC BY SA 4.0

يُظهر السطح السطحي للفريق، المصنوع من الجرمانيوم وثنائي فلوريد الكالسيوم، ترتيبًا متدرجًا للذرات الفائقة التي يتغير اتجاهها باستمرار على طول الشريحة. يعمل شكل وزاوية هذه الذرات المفوقية، بالإضافة إلى تناظر الشبكة، معًا لتعديل استجابة السطح الفائق للضوء المستقطب.

وفي تجربة إثبات المفهوم، قام العلماء في الوقت نفسه بتشفير صورتين مختلفتين على سطح خارق مُحسّن لنطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط ​​غير المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي. في الصورة الأولى للكوكاتو الأسترالي، تم تشفير بيانات الصورة بأحجام فائقة الذرة (تمثل البيكسلات) وتم فك تشفيرها باستخدام ضوء غير مستقطب. تُشفّر الصورة الثانية اتجاه الذرات الخارقة بحيث يبدو السطح الخارق، عند تعرضه للضوء المستقطب دائريًا، يشبه جبل ماترهورن السويسري الشهير.

وقال إيفان سينيف، الباحث في مختبر الأنظمة الضوئية الحيوية: "توضح هذه التجربة قدرة تقنيتنا على توليد "علامة مائية" مزدوجة الطبقة غير مرئية للعين البشرية، مما يمهد الطريق لتطبيقات متقدمة لمكافحة التزييف والتمويه والأمن".

بالإضافة إلى التشفير، فإن طريقة الفريق لها تطبيقات محتملة في التقنيات الكمومية، والتي يعتمد الكثير منها على الضوء المستقطب لإجراء العمليات الحسابية. إن القدرة على رسم خريطة للاستجابات اللولبية على مساحات واسعة من السطح يمكن أيضًا أن تبسط عملية الاستشعار الحيوي.

يقول فيليكس ريختر، الباحث في مختبر الأنظمة الضوئية الحيوية: "يمكننا استخدام الهياكل الفوقية اللولبية مثل التي لدينا لاستشعار معلومات مثل محتوى الدواء أو النقاء في عينات صغيرة الحجم. الطبيعة كيرالية، والقدرة على التمييز بين الجزيئات اليسرى واليمنى أمر بالغ الأهمية لأنها يمكن أن تفرق بين الأدوية والسموم".

تم تجميعها من / scitechdaily