想象一下，一块芯片薄到几乎什么都看不见——直到你用扭曲的光线照射它。科学家们开发出了一种超表面，它可以根据光线的偏振来隐藏和显示两幅截然不同的图像。
这项技术利用精心排列的纳米结构，不仅能欺骗眼睛，还为下一代加密、生物传感和量子技术打开了大门。从隐形水印到检测药物纯度，这款扁平设备利用“惯用手性”的基本物理原理，揭开了自然界和科学界长期以来隐藏的秘密。
想把左手戴的手套戴在右手上是行不通的，因为两者是镜像——它们看起来相似，但方向却不对齐。这个被称为“手性”的概念是生物学、化学和材料科学中的一个关键原理。在自然界中，大多数DNA链和糖是右旋的，而大多数氨基酸是左旋的。如果分子的旋性被颠倒，它就会停止正常运作。营养素可能会失效，药物也可能失去其益处，甚至变得危险。
光也具有某种旋向性。当光被圆偏振时，其电场在向前传播时会旋转，形成左旋或右旋螺旋。手性材料对每种偏振光的反应不同。通过将圆偏振光照射到物质上，并测量每个螺旋的吸收、反射或延迟情况，科学家可以了解该物质自身的手性。但由于这些相互作用极其微妙，精确控制手性一直是一个长期存在的挑战。
手性超表面上不同取向的超原子。图片来源：2025 EPFL 生物纳米光子系统实验室 CC BY SA 4.0
现在，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院生物纳米光子系统实验室的科学家与澳大利亚的科学家合作，创造了一种名为“超表面”的人工光学结构：由微小元素（超原子）组成的二维晶格，可以轻松调整其手性特性。通过改变晶格内超原子的方向，科学家可以控制由此产生的超表面与偏振光的相互作用。
“我们的‘手性设计工具包’简洁优雅，却比以往通过非常复杂的超原子几何结构控制光线的方法更强大。相反，我们利用了超原子形状与超表面晶格对称性之间的相互作用，”生物纳米光子学实验室负责人 Hatice Altug 解释道。
该项创新已发表在《自然通讯》杂志上，在数据加密、生物传感和量子技术方面具有潜在的应用。
两幅不同的图像同时编码在针对电磁波谱中不可见的中红外范围进行优化的超表面之上。图片来源：2025 EPFL 生物纳米光子系统实验室 CC BY SA 4.0
该团队的超表面由锗和二氟化钙制成，呈现出梯度排列的超原子，其取向沿芯片不断变化。这些超原子的形状和角度，以及晶格对称性，共同作用，调节超表面对偏振光的响应。
在概念验证实验中，科学家们在一个针对电磁波谱中不可见的中红外波段进行了优化的超表面（metasurface）上同时编码了两幅不同的图像。第一幅澳大利亚凤头鹦鹉的图像中，图像数据以超原子的大小（代表像素）进行编码，并用非偏振光进行解码。第二幅图像则利用超原子的方向进行编码，因此，当暴露于圆偏振光下时，超表面便会呈现出标志性的瑞士马特洪峰的图像。
生物纳米光子系统实验室研究员 Ivan Sinev 表示：“这项实验展示了我们的技术能够生成人眼看不见的双层‘水印’，为先进的防伪、伪装和安全应用铺平了道路。”
除了加密之外，该团队的方法还具有量子技术的潜在应用价值，其中许多技术依赖于偏振光进行计算。在大面积表面上绘制手性响应的能力也可以简化生物传感。
“我们可以利用像我们这样的手性超结构来感知小体积样品中的药物成分或纯度等信息。自然界具有手性，区分左旋和右旋分子的能力至关重要，因为它可以区分药物和毒素，”生物纳米光子系统实验室的研究员Felix Richter说道。
编译自/scitechdaily
