Imagine um chip tão fino que você mal consegue ver alguma coisa – até que você direcione uma luz distorcida para ele. Os cientistas desenvolveram uma metassuperfície que pode ocultar e revelar duas imagens distintas com base na polarização da luz.

Esta tecnologia utiliza nanoestruturas cuidadosamente organizadas para não apenas enganar os olhos, mas também abrir a porta para a próxima geração de criptografia, biossensor e tecnologias quânticas. Desde marcas d'água invisíveis até testes de pureza de medicamentos, este dispositivo plano explora a física fundamental da lateralidade para descobrir segredos há muito escondidos da natureza e da ciência.

Tentar colocar uma luva na mão esquerda e na direita não funcionará porque as duas são imagens espelhadas - elas parecem semelhantes, mas não estão alinhadas na mesma direção. Este conceito, conhecido como “quiralidade”, é um princípio fundamental na biologia, química e ciência dos materiais. Na natureza, a maioria dos filamentos de DNA e açúcares são destros, enquanto a maioria dos aminoácidos são canhotos. Se a lateralidade de uma molécula for invertida, ela para de funcionar corretamente. Os nutrientes podem tornar-se ineficazes e os medicamentos podem perder os seus benefícios ou mesmo tornar-se perigosos.

Light também tem alguma lateralidade. Quando a luz é polarizada circularmente, seu campo elétrico gira à medida que se propaga para frente, formando uma espiral esquerda ou direita. Os materiais quirais respondem de maneira diferente a cada polarização da luz. Ao iluminar uma substância com luz polarizada circularmente e medir a absorção, reflexão ou retardo de cada hélice, os cientistas podem aprender sobre a quiralidade da própria substância. Mas como essas interações são extremamente sutis, controlar com precisão a quiralidade tem sido um desafio de longa data.

Superátomos diferentemente orientados em metassuperfícies quirais. Fonte da imagem: Laboratório de Sistemas Bio-Nanofotônicos EPFL 2025 CC BY SA 4.0

Agora, cientistas do Laboratório de Sistemas BioNanofotônicos da Escola de Engenharia da EPFL, em colaboração com cientistas da Austrália, criaram uma estrutura óptica artificial chamada "metasuperfície": uma rede bidimensional de pequenos elementos (superátomos) cujas propriedades quirais podem ser facilmente ajustadas. Ao alterar a orientação dos metaátomos dentro da rede cristalina, os cientistas podem controlar como a metassuperfície resultante interage com a luz polarizada.

"Nosso 'kit de ferramentas de design quiral' é elegante em sua simplicidade, mas mais poderoso do que os métodos anteriores de controle de luz através de geometrias superatômicas muito complexas. Em vez disso, exploramos a interação entre formas superatômicas e simetrias de rede de metassuperfície, "explica Hatice Altug, chefe do Laboratório de BioNanofotônica.

A inovação, publicada na revista Nature Communications, tem aplicações potenciais em criptografia de dados, biossensor e tecnologia quântica.

Duas imagens diferentes são codificadas simultaneamente em uma metassuperfície otimizada para a faixa invisível do infravermelho médio do espectro eletromagnético. Fonte da imagem: Laboratório de Sistemas Bio-Nanofotônicos EPFL 2025 CC BY SA 4.0

A metassuperfície da equipe, feita de germânio e difluoreto de cálcio, exibe um arranjo gradiente de superátomos cuja orientação muda continuamente ao longo do chip. A forma e o ângulo desses metaátomos, bem como a simetria da rede, trabalham juntos para modular a resposta da metassuperfície à luz polarizada.

Em um experimento de prova de conceito, os cientistas codificaram simultaneamente duas imagens diferentes em uma metassuperfície otimizada para a banda invisível do infravermelho médio do espectro eletromagnético. Na primeira imagem de uma cacatua australiana, os dados da imagem foram codificados em tamanhos superatômicos (representando pixels) e decodificados usando luz não polarizada. A segunda imagem codifica a orientação dos metaátomos de modo que, quando exposta à luz polarizada circularmente, a metassuperfície pareça assemelhar-se ao icônico Matterhorn suíço.

"Este experimento demonstra a capacidade de nossa tecnologia de gerar uma 'marca d'água' de camada dupla invisível ao olho humano, abrindo caminho para aplicações avançadas de combate à falsificação, camuflagem e segurança", disse Ivan Sinev, pesquisador do Laboratório de Sistemas BioNanofotônicos.

Além da criptografia, o método da equipe tem aplicações potenciais em tecnologias quânticas, muitas das quais dependem de luz polarizada para cálculos. A capacidade de mapear respostas quirais em grandes áreas de superfície também poderia simplificar o biossensor.

"Podemos usar superestruturas quirais como a nossa para detectar informações como o conteúdo do medicamento ou a pureza em amostras de pequeno volume. A natureza é quiral, e a capacidade de distinguir moléculas canhotas e destras é crítica porque pode diferenciar entre medicamentos e toxinas, "disse Felix Richter, pesquisador do Laboratório de Sistemas BioNanofotônicos.

Compilado de /scitechdaily