Il 24 giugno un gruppo di ricercatori del Politecnico federale di Zurigo (ETH) ha presentato su Nature il primo pixel bidirezionale, battezzato Fourier pixel: un singolo elemento ottico che genera luce e, nello stesso istante, la può raccogliere. È il mattone teorico di uno schermo capace di funzionare anche da fotocamera, senza separare l'elemento che mostra l'immagine da quello che la cattura, due funzioni che oggi vivono in dispositivi distinti.
Il lavoro, firmato da Yannik Glauser, Sander Vonk e colleghi sotto la guida di David Norris dell'Optical Materials Engineering Laboratory dell'ETH, poggia su due principi: l'interferenza delle onde luminose e l'analisi di Fourier. Ma la chiave della bidirezionalità sta in una conversione reversibile: il pixel non agisce direttamente sulla luce ordinaria, la trasforma in onde che corrono lungo la sua superficie metallica (i surface plasmon polariton) e sa compiere questa trasformazione nei due sensi. È proprio la simmetria del processo a permettere a un solo elemento di mostrare un'immagine e, con lo stesso apparato, di catturarla.
Nel verso "in uscita", quello del display, come descritto dall'ETH, il pixel parte dalle onde di superficie e le re-irradia come luce ordinaria. La zona del chip, scolpita con una precisione di pochi nanometri, determina come queste onde re-irradiate si sovrappongono: dove arrivano in fase si rinforzano, dove arrivano in opposizione si annullano. È questo gioco di rinforzi e cancellazioni, che altro non è che interferenza di onde, a comporre l'immagine. L'analisi di Fourier interviene a monte, nel progetto: dato il risultato voluto, calcola quale profilo deve avere la superficie per produrlo.
Schema concettuale del "pixel di Fourier" - Fonte: Nature
Nel verso "in entrata", quello della fotocamera, lo stesso meccanismo opera al contrario. La luce che arriva dall'esterno genera a sua volta onde di superficie, e dal modo in cui queste si ricombinano il pixel ricostruisce cosa trasportava la luce in arrivo: non solo la sua intensità, ma anche la fase e la polarizzazione, cioè la direzione in cui oscilla il campo elettrico dell'onda. "Oltre all'intensità luminosa, cioè le aree chiare e scure da cui nascono le immagini, i nostri Fourier pixel possono controllare anche altre proprietà delle onde luminose, per esempio la polarizzazione", spiega Glauser.
Fasci a ciambella e immagini a colori
Il pixel sa produrre fasci di luce a forma di ciambella, con un buco scuro al centro. Procedendo attorno all'asse del fascio la fase ruota in modo continuo, e sull'asse stesso le fasi opposte si annullano a vicenda, azzerando l'intensità. È quella che si chiama singolarità di fase, e i fasci che la portano sono i vortex beam. Quanto più "stretta" è la rotazione della fase, tanto più alto è il numero che la misura, la carica topologica, cioè quanti giri completi compie la fase in un giro attorno all'asse: i ricercatori l'hanno generata pari a +1, +3 e +5. Tutto questo funziona a lunghezze d'onda diverse, condizione necessaria per ottenere immagini a colori.
Il paper riporta due indicatori di qualità. Il primo è uno speckle contrast del 17%: lo speckle è la granulosità casuale che sporca le immagini formate con luce coerente, e un valore così basso segnala un'immagine uniforme, quindi una fase ricostruita con grande fedeltà. Il secondo è un rapporto segnale-fondo di 68: il segnale utile è 68 volte più intenso del fondo, cioè la contaminazione residua è quasi nulla. Gli autori descrivono il risultato come un'architettura "scalabile e universale per pixel programmabili vettorialmente": programmabili, cioè, trattando la luce come grandezza vettoriale che comprende insieme ampiezza, fase e polarizzazione.
Un punto rilevante è che le onde di superficie possono essere utilizzate per calcoli matematici direttamente sul materiale del pixel. In prospettiva, un pixel potrebbe reagire a un'immagine catturata e produrre il pattern luminoso corrispondente senza passare per un computer. Le applicazioni indicate vanno dall'ottica adattiva ai display olografici, dalla comunicazione ottica fino al quantum information processing.
Quanto manca a uno schermo vero
I limiti, allo stato attuale, restano importanti. Ogni pixel svolge una funzione fissa, decisa al momento della fabbricazione, ed è tarato su una singola lunghezza d'onda; uno schermo convenzionale, al contrario, mostra contenuti arbitrari su milioni di elementi. Le dimostrazioni usano illuminazione coerente, anche se gli autori segnalano che l'eccitazione incoerente è possibile e che i plasmoni coerenti potrebbero essere generati direttamente sul chip per via termica, elettrica o tramite emettitori quantistici senza bisogno di un laser esterno. Il gruppo ha già realizzato piccole matrici (una di 2x3 pixel): l'obiettivo a breve di Norris è proprio estendere il metodo a matrici di molti Fourier pixel, come accade nei display e nelle fotocamere di oggi. La richiesta di brevetto legata alla ricerca è stata candidata allo Spark Award dell'ETH.
Per chiudere, vale la pena ricordare che il "picture element", poi abbreviato in pixel, comparve in stampa per la prima volta nel 1927, sulla rivista Wireless World: nel 2027 compirà cent'anni, e arriva alla soglia del secolo con i presupposti di una profonda rivoluzione.
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