Nanofotoniikan pikseli näyttää ja lukee valoa samaan aikaan

Melkein vuosisata sen jälkeen kun sana "pikseli" ilmestyi ensimmäisen kerran teknisessä lehdessä, ETH Zürichin tutkijat ovat uudelleensuunnitelleet tuon vaatimattoman rakennuspalikan. Ei parempana pisteenä näytöllä, vaan pienenä laitteena, joka voi sekä muodostaa kuvan että tallentaa sen. Kuvittele yksi elementti, joka toimii samanaikaisesti kamerana ja näyttönä. Outo? Ehdottomasti. Hyödyllinen? Mahdollisesti mullistava.

Salaisuus ei ole maali tai pigmentti vaan aallot. Nämä uudet pikselit toimivat nanofotonisilla periaatteilla: sirulle saapuva valo muunnetaan pinnalla kulkevaksi aalloksi, jotka kiitävät laitteen yli, interferoivat keskenään ja palaavat taas ohjatusti valona muista pisteistä. Muokkaamalla pinnan mikrorakennetta tiimi voi ennustaa ja muotoilla, miten nuo aallot kohtaavat ja millainen valokuvio syntyy.

Kyky suunnata ja lukea ei pelkästään kirkkaus vaan myös valon vaihe ja polarisaatio tekee näistä elementeistä pikemminkin pieniä aaltoteknikoita kuin yksinkertaisia värejä lähettäviä pikseleitä. Ne voivat analysoida saapuvien aaltojen värähtelyvaihetta, mitata polarisaatiotiloja ja rekonstruoida halutun lähdön. Käytännössä jokaisesta pikselistä tulee vektoriaalinen yksikkö, joka on herkempi valon rikkaammille ominaisuuksille kuin perinteinen punainen‑vihreä‑sininen intensiteetti.

Miksi sillä on merkitystä? Koska se avaa tien laitteistolle, joka ei enää erota havainnointia ja näyttämistä. Yksi laite voisi toimia holografisena näyttönä samalla kun se sampleeraa edessään olevaa valokenttää. ETH:n tiimin mainitsemia sovelluksia ovat adaptiivinen optiikka, holografinen kuvantaminen ja näytöt, suurinopeuksiset optiset tiedonsiirtoyhteydet ja jopa komponentit kvanttitiedon käsittelyyn, joissa aaltopintojen tarkka hallinta on ratkaisevan tärkeää.

Tällä hetkellä työ on enemmän demonstraatio kuin kuluttajakelpoista. Nykyiset prototyypit perustuvat koherenttiin laserivaloon ja ohjelmoituihin, staattisiin pintamalleihin kuvien tuottamiseksi ja havaitsemiseksi. Siitä huolimatta tutkijat kokoavat näistä pikseleistä matriiseja ja tutkivat, miten niitä voi skaalata toimiviksi verkoiksi. Keksintö on herättänyt tarpeeksi kiinnostusta patenttihakemukseen ja ehdokkuuteen tämän vuoden Spark-palkinnolle. Kattava tekninen raportti julkaistiin Nature-lehdessä.

Kaikki eivät ota tätä vastaan tyynesti. Julkisissa foorumeissa jotkut käyttäjät ilmaisevat huolensa: näyttö, joka on samalla kamera, voisi muuttua salakavalaksi valvontavälineeksi. Vertaukset olivat voimakkaita, kaikuja fiktiivisistä teleskoopeista, jotka tarkkailivat kansalaisia dystooppisessa kirjallisuudessa, ja jotkut kommentoijat vannoivat, etteivät koskaan osta laitteita, jotka sisältävät teknologiaa. Nämä pelot eivät ole vähäpätöisiä; ne nostavat suunnittelu-, politiikka- ja eettisiä kysymyksiä, jotka kehittäjien on ratkaistava laitteiston kypsyessä.

Teknisesti haasteita on vielä paljon. Näiden pikselien saaminen toimimaan ympäristön epäkoherentissa valaistuksessa; niiden ohjelmointi dynaamiseen, reaaliaikaiseen kuvantamiseen ilman tilaa vieviä laseja; sekä integrointi virta- ja kustannusrajoitteisiin kulutuselektroniikkatuotteisiin ovat kaikki vaativia haasteita. Silti perusidea on elegantti: hallitse pintaa, niin hallitset sekä sitä, mitä näet että mitä havaitset.

Todellinen provokaatio on tämä: mitä tapahtuu, kun näytöt eivät enää ole passiivisia ikkunoita vaan muuttuvat aktiivisiksi silmiksi? Tämä kysymys tulee ohjaamaan sekä tutkijoita että päättäjiä, kun raja näytön ja kameran välillä ohenee.