Cientistas criaram um pixel que ensinará as telas a enxergar.

Para diversas aplicações, seria tentador combinar as funções de tela e câmera em uma única solução. Isso inclui óptica adaptativa, analisadores de materiais, telas estereoscópicas ou simplesmente óculos compactos de realidade aumentada/virtual que não exigem uma câmera separada. Na prática, temos um pixel fotossensível na câmera ou um pixel emissor de luz na tela. Felizmente, cientistas suíços inventaram um novo pixel que combina ambas as propriedades.

Fonte da imagem: ETH Zurich

Pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETH Zurich) anunciaram o desenvolvimento de um novo tipo de pixel óptico que pode funcionar de duas maneiras: como um elemento de exibição, gerando luz, e como um sensor, analisando a radiação incidente. Deram ao pixel o nome de “pixel de Fourier”.

Ao contrário dos pixels convencionais de câmeras e telas, que normalmente detectam ou emitem a intensidade da luz, a nova estrutura pode controlar e ler diversos parâmetros de ondas eletromagnéticas simultaneamente: amplitude, fase e polarização. Isso não só abre caminho para dispositivos onde a câmera e a tela podem ser combinadas em uma única matriz de pixels, como também possibilita a extração de uma grande quantidade de informações valiosas da luz.

O princípio de funcionamento do pixel de Fourier baseia-se em polaritons de plasmon de superfície — ondas coerentes que se propagam ao longo de uma superfície metálica. Todo o processo depende da matemática relativamente simples das transformadas de Fourier. Essa matemática permite o pré-cálculo do relevo da superfície do pixel, sobre o qual as ondas eletromagnéticas das interações plasmon-polariton irão “rolar”. Com base nesse relevo, as ondas eletromagnéticas irão interagir entre si (interferir), emitir ou reagir à luz incidente — tudo dentro de limites estritamente aceitáveis. Além disso, o relevo pode servir como uma espécie de calculadora, realizando certas operações matemáticas sobre as ondas simplesmente devido aos processos físicos naturais do comportamento ondulatório.

Geralmente, a luz incidente em um pixel de Fourier primeiro excita uma onda de superfície, que então atinge um “elemento de Fourier” especialmente formado — uma microestrutura com um perfil ondulado calculado usando métodos de análise de Fourier. Essa estrutura dispersa a onda de superfície de volta para o espaço livre, mas com uma distribuição de amplitude e fase predeterminada. Essencialmente, a forma da superfície atua como um processador de difração em miniatura: a frente óptica desejada é calculada usando a transformada inversa de Fourier. O próprio relevo é pré-fabricado no pixel com precisão nanométrica, o que não representa problema algum nos dias de hoje.

Os pixels de Fourier, devido às suas propriedades físicas, são capazes de analisar todos os componentes da luz, incluindo polarização (reagindo a ela de maneira predeterminada), amplitude e fase. Também são capazes de emitir luz considerando esses parâmetros e em um determinado comprimento de onda — a cor desejada. Essas capacidades, por exemplo, permitem criar luz com o formato de uma rosquinha com um furo no meio, simplesmente controlando a fase e a polarização da luz emitida.

Matrizes de pixels de Fourier poderão exibir simultaneamente uma imagem colorida e analisar materiais com base na luz que dispersam, criar imagens tridimensionais no espaço, como os hologramas de Star Wars, adaptar a distância focal de microscópios e telescópios de acordo com os objetos observados e compensar a turbulência atmosférica. Por fim, tais capacidades seriam muito requisitadas em telecomunicações, bem como em computação óptica e quântica.