Kryptographie ist ein neues Gebiet für Olivier Martin, der sich seit vielen Jahren als Leiter des Labors für Nanophotonik und Metrologie an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL mit der Optik von Nanostrukturen befasst. Doch nachdem Olivier Martin und der Doktorand Hsiang-Chu Wang in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Mikro-Nanotechnologie neue Silber-Nanostrukturen entwickelt hatten, stellten sie fest, dass diese Nanostrukturen auf polarisiertes Licht in einer unerwarteten Weise reagierten, die sich als perfekt für die Codierung von Informationen erwies.
Sie fanden heraus, dass, wenn polarisiertes Licht aus bestimmten Richtungen durch die Nanostrukturen geleitet wurde, eine Palette heller, leicht identifizierbarer Farben reflektiert wurde. Diesen Farben konnten Nummern zugewiesen werden, die dann zur Darstellung von Buchstaben unter Verwendung des ASCII-Standardcodes (American Standard Code for Information Interchange) für die elektronische Kommunikation verwendet werden konnten. Um eine geheime Nachricht zu verschlüsseln, wandten die Wissenschaftler einen Quaternärcode mit den Ziffern 0, 1, 2 und 3 an (im Gegensatz zu dem häufiger verwendeten Binärcode 0 und 1). Das Ergebnis war eine Reihe von vierstelligen Zeichenfolgen, die aus verschiedenen Farbkombinationen bestanden und zum Buchstabieren einer Nachricht verwendet werden konnten.
"Nicht jeder Farbcode ist einzigartig. Mit anderen Worten: Ein und dieselbe Zahl - 0, 1, 2 oder 3 - kann für eine andere Farbe stehen. Das bedeutet, dass das Verschlüsselungssystem noch sicherer ist, da die Wahrscheinlichkeit, die korrekte Abfolge des Codes zu erraten, geringer ist", erklärt Olivier Martin. Die Ergebnisse des Labors wurden kürzlich in der Zeitschrift Advanced Optical Materials veröffentlicht.
Eine erstaunliche Reaktion auf Licht
Die einzigartige Reaktion von Silber-Nanostrukturen auf polarisiertes Licht ist das Herzstück dieser neuen Methode. Die verschiedenen Farbtöne, die die Wissenschaftler beobachteten, wurden zunächst erzeugt, indem die Länge und Position der Nanostrukturen variiert wurden. Anschließend beleuchteten die Wissenschaftler sie mit polarisiertem Licht. Mit anderen Worten: Die Lichtwellen schwangen in kontrollierten Richtungen (vertikal, horizontal oder diagonal). Je nach Polarisationsrichtung wechselte das von den Nanostrukturen reflektierte Licht von matt zu hell und erzeugte feste Farben, die dann zu Analysezwecken durch einen zweiten Polarisator geleitet wurden.
Vor allem aber kann bei der Farbverschlüsselungsmethode nur die richtige Kombination der Polarisationsrichtungen die geheime Botschaft enthüllen. Licht, das in eine andere Richtung polarisiert ist, enthüllt eine Reihe von Farben, die einer bedeutungslosen Botschaft entsprechen.
"Chiralität ist ein Konzept, das oft missbraucht wird und schwer zu fassen ist. Der fundamentale Aspekt der Chiralität in einfachen Geometrien, wie sie von unseren Nanostrukturen präsentiert werden, ist eine wichtige Entdeckung dieser Studie."
Technologie mit dem menschlichen Auge kombinieren
Neben der Verschlüsselung von Nachrichten haben die Wissenschaftler gezeigt, dass sie ihre Methode auch zur Reproduktion eines Gemäldes - in diesem Fall Picassos Mittelmeerlandschaft - im Nanomaßstab verwenden können. Dazu ersetzten sie die Pixel einer digitalen Reproduktion des Gemäldes durch ihre Silber-Nanostrukturen. Wie bei der Verschlüsselungsmethode über die Farbe wird das Kunstwerk erst enthüllt, wenn polarisiertes Licht in der richtigen Richtung auf das "Nanogemälde" fällt.
Olivier Martin ist der Ansicht, dass die Kombination der Nanotechnologie mit der visuellen Wahrnehmung des Menschen ein großes Potenzial birgt, sowohl für künstlerische Anwendungen als auch für Verschlüsselungstechniken, wie z. B. sicherere Banknoten.
Referenzen
Wang, H.-C., Martin, O. J. F., Polarization-Controlled Chromo-Encryption. Adv. Optical Mater. 2023, 2202165. https://doi.org/10.1002/adom.202202165
