Das chirale Netzwerk von Death Stranding ist Unsinn, aber es gibt eine Wissenschaft dahinter

Wie die Drehung eines Photons den Unterschied ausmachen kann.


Chiral - ausgesprochen Kai-ral nach dem griechischen Buchstaben Chi - ist kein Wort, das sich Hideo Kojima bei der Entwicklung von Death Stranding ausgedacht hat. Sam Bridges' Chiral Network ist natürlich völliger Blödsinn, aber Chiralität ist eine gewöhnliche Eigenschaft von Molekülen und sogar von Licht, die in der Natur vorkommt und mit ein bisschen Hilfe von uns die Elektronik der Zukunft hervorbringt.

Betrachten Sie die Fangschreckenkrebse, wenn Sie sich trauen. Diese räuberischen Krustentiere gibt es in zwei Arten: die Zertrümmerer mit einem Paar Beine, die als Keulen ausgebildet sind, und die Aufspießer, die Widerhaken an ihren Anhängseln entwickelt haben. Was beide gemeinsam haben, sind unglaubliche Augen mit bis zu 16 Typen von Photorezeptoren (der Mensch tappt in relativer Dunkelheit mit nur drei herum), von denen einige zirkular polarisiertes Licht erkennen können, was sie möglicherweise nutzen, um sich gegenseitig zu signalisieren. Diese zirkulare Polarisation bedeutet, dass sich die Lichtwellen zwar weiterhin in einer geraden Linie bewegen, ihre elektromagnetischen Felder aber senkrecht (im rechten Winkel) zu dieser Richtung rotieren. Fotografen kennen dies von den zirkularen Polarisationsfiltern, die auf ein Kameraobjektiv geschraubt werden können, um die Farbsättigung und den Kontrast in einer Szene auf Kosten von ein wenig Helligkeit zu erhöhen.

Stellen Sie sich die Chiralität also als Händigkeit vor, oder die Richtung einer Helix. Sie kann sich nach links oder nach rechts drehen. Denken Sie an Ihre Hände, oder schauen Sie sie an, wenn Sie sie in der Nähe haben. Legen Sie sie Handfläche an Handfläche und ihre Formen stimmen überein, aber legen Sie eine auf die andere und sie sind deutlich unterschiedlich. Chirale Strukturen sind überall - in den Schneckenhäusern, in den Formen von Nudeln, in den Schrauben, die Ihren Schreibtisch zusammenhalten. In der Welt der Moleküle ist die Chiralität wichtig: Eine Ansammlung von Atomen, die sich in die eine Richtung dreht, kann Ihre verstopfte Nase befreien, wird aber zu Methamphetamin, wenn sie sich in die andere Richtung dreht. Bitte schreiben Sie uns nicht, dass Crystal Meth auch Ihre Nase frei macht.


"Es gibt viele verschiedene Dinge, die ich an chiralen Materialien faszinierend finde", sagt Dr. Jessica Wade, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Chemieabteilung des Imperial College London, die sich mit zirkularer Polarisation beschäftigt. "Wir verwenden sie in LED-Displays, um die Bildschirme von Computern und Mobiltelefonen herzustellen. Wir versuchen, die Effizienz des Displays zu erhöhen und die Akkulaufzeit zu verlängern, denn derzeit befindet sich bei OLEDs ein Blendschutzfilter vor den Pixeln, der im Wesentlichen aus einem zirkular polarisierenden Filter besteht, der die Blendung sehr effizient reduziert. Aber wenn Sie Pixel haben, die unpolarisiertes Licht aussenden, das zu 50 Prozent links- und zu 50 Prozent rechtshändig ist, verlieren Sie die Hälfte davon in diesem Filter. Wir verbrauchen also eine riesige Menge an Batteriestrom, um so viele Photonen wie möglich durch diesen Filter zu drücken, die für andere Dinge verwendet werden könnten. Wenn man das Licht von Haus aus zirkular polarisiert, könnte man die Effizienz des Bildschirms wirklich erhöhen und die Akkulaufzeit massiv verbessern."

Spiralförmig nach außen

Energieeffizienz ist derzeit ein großes Thema in der Computerbranche, vor allem, da die stromfressenden 5G-Verbindungen immer weiter ausgebaut werden. Bildschirme sind große Energieverbraucher, wenn sie eingeschaltet sind, aber auf einem Telefon sind sie die meiste Zeit ausgeschaltet. Bei einem Laptop hingegen ist er wahrscheinlich die ganze Zeit über eingeschaltet, und das kann wirklich die Akkulaufzeit beeinträchtigen. Das menschliche Auge kann nicht zwischen links- und rechtshändigem Licht unterscheiden - hier verneigen wir uns vor der Gottesanbeterin -, aber es kann auf andere Weise erkannt werden, was zu Möglichkeiten für zukünftige Verschlüsselungstechnologien führt, die auf polarisiertem Licht basieren. "Wenn man etwas verschlüsseln will und die Lichtsequenz chiral macht, dann kann man es nur dann wirklich erkennen, wenn man weiß, dass es das ist, wonach man sucht", sagt Wade.

"Fast alles im menschlichen Körper ist chiral", fährt sie fort. "Zucker sind chiral, DNA ist chiral, Aminosäuren sind chiral. Es ist faszinierend, wie oft es sich manifestiert, aber es ist schwer zu erklären, weil wir es nicht sehen. Die Technik beginnt zu erkennen, wie cool es wäre, wenn wir chirale Strukturen nutzen könnten, um zirkular polarisiertes Licht zu erzeugen oder sogar die Quanteneigenschaften von Elektronen zu manipulieren."

Wir sind hier weit über den Physikunterricht in der Schule hinaus. Elektronen existieren als Paare, mit unterschiedlichen Quantenzuständen, die als "Spin" bezeichnet werden. Es wurde gezeigt, dass man bei der Bewegung von Elektronen durch ein chirales Material nach dem Spin filtern kann, abhängig von der Händigkeit des Materials.


Wie kann das helfen? Nun, es gibt einen ganzen Zweig der Elektronik, der als Spintronik bekannt ist, und er betrifft etwas, das uns am Herzen liegt: Festplatten. Das erste Speichergerät, das ein "Spin-Ventil" verwendet, um den magnetischen Zustand von Materialien auf molekularer Ebene im Hinblick auf die Datenspeicherung zu verändern, kam 1997 mit der massiven 16,8 GB IBM Deskstar Titan. Heutzutage nutzt jede rotierende Festplatte diese Technik bis zu einem gewissen Grad, wodurch die magnetischen Impulse, die erkannt werden können, wenn sich der Lesekopf über die Oberfläche bewegt, enorm geschrumpft werden und somit die Dichte der Daten, die geschrieben werden können, erhöht wird.

"Chirale Materialien haben all diese faszinierenden Eigenschaften bei Raumtemperatur", sagt Wade. "Die Art und Weise, wie man früher Spintronik gemacht hat, war, die Dinge unglaublich kalt zu machen, flüssiges Helium kalt, aber chirale Materialien erlauben es, dies in kleinem Maßstab zu tun, ohne anorganische Materialien teuer herzustellen." Wade ist Chemikerin, daher meint sie mit "anorganisch" Materialien, die nicht auf Kohlenstoff basieren. Sie arbeitet mit Kohlenstoff aus der Graphen-Familie, aber Graphen selbst ist flach und kann daher nicht chiral sein, obwohl es möglich ist, es zu chiralen Nanoröhren aufzurollen.

Wir sprechen in dieser Kolumne oft davon, neue Materialien zu verwenden, um bekannte Prozesse zu verbessern, und wir sind wieder einmal dabei. Kojima mag in "Death Stranding" auf eine neuartige Idee gestoßen sein, aber die Wissenschaft dahinter ist solide und wird wahrscheinlich in Zukunft unser aller Leben beeinflussen, auch wenn sie nicht zu einer Internetverbindung führt, die mit Lichtgeschwindigkeit läuft.

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