Píxeis Fourier: o ponto único que vê e mostra a luz

Num telemóvel em modo selfie, duas superfícies distintas fazem tarefas opostas. O ecrã ilumina-se para mostrar o seu rosto, enquanto uma pequena câmara ao lado absorve luz para o registar - e cada uma delas é construída com os seus próprios pontos dedicados.

Estes dois tipos de pontos mantiveram-se separados desde que a palavra píxel surgiu há quase um século: um para mostrar, outro para ver.

Agora, uma equipa na Suíça criou um único ponto capaz de fazer as duas coisas - e, além disso, de ler informação da luz que os píxeis comuns simplesmente descartam.

Quebrar uma regra antiga com os píxeis Fourier

A investigação foi liderada por David J. Norris, professor de engenharia de materiais ópticos no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETH Zurich).

A equipa deu ao seu invento o nome de píxeis Fourier, numa referência à matemática que está por trás de cada desenho.

Os píxeis actuais limitam-se a acompanhar uma única característica da luz: o brilho, e ficam por aí. Só que a luz transporta muito mais informação, entrelaçada no ritmo e na inclinação das suas ondas.

Estes novos pontos fazem as duas metades do trabalho: analisam a luz que lhes chega e também geram a luz que sai.

Tudo isto acontece numa única e pequena área de superfície. Até agora, nenhum píxel tinha conseguido trabalhar simultaneamente nos dois sentidos.

Ondas a correr sobre metal

Cada píxel assenta numa lâmina de prata marcada com cristas pouco profundas e onduladas.

Quando a luz atinge uma faixa finamente riscada numa das extremidades, transforma-se numa ondulação de energia que corre lateralmente ao longo do metal - uma chamada onda de superfície.

À medida que essa ondulação avança, encontra as cristas esculpidas e volta a espalhar-se para fora sob a forma de luz “normal”. Nos locais onde as ondas se reforçam mutuamente, a luz intensifica-se. Onde se anulam, surge escuridão.

Esse jogo de reforço e anulação, conhecido como interferência, desenha o padrão para o qual o píxel foi concebido.

Para obter uma imagem específica, a equipa faz o processo ao contrário, recorrendo a uma ferramenta matemática comum para calcular o padrão exacto de cristas necessário.

Depois, essas superfícies onduladas são gravadas com precisão à escala do nanómetro, através de um método de fabrico desenvolvido num estudo anterior do mesmo laboratório.

Mais do que apenas brilho

O brilho é apenas uma parte do que os píxeis Fourier conseguem tratar. Eles controlam a polarização da luz, isto é, a direcção em que a onda “oscila” enquanto se propaga.

Os píxeis também conseguem moldar a fase, o timing dos picos e vales da onda.

Ao ajustar a superfície, os investigadores produziram feixes com um buraco escuro perfeitamente aberto no centro. Outros feixes torciam-se enquanto viajavam, com a polarização a enrolar-se lentamente em torno do eixo.

A mesma abordagem também funciona em todo o espectro visível, permitindo que os pontos construam imagens a cores.

Conseguir lidar, ao mesmo tempo, com brilho, fase e polarização num único elemento é precisamente aquilo que os dispositivos anteriores não conseguiam fazer.

Alguns eram capazes de curvar a fase de uma onda, outros de filtrar a polarização - mas nunca os três em simultâneo, até este píxel.

Ler a luz ao contrário

Quando operado em sentido inverso, o mesmo hardware deixa de criar luz e passa a detectá-la. A luz que entra converte-se em ondas de superfície e mistura-se no píxel com uma segunda onda de referência, estável.

De seguida, uma câmara fotografa o padrão de interferência que as duas geram em conjunto.

A partir desse padrão, a equipa reconstrói a fase e a polarização da luz que chegou - precisamente as características que uma câmara normal deita fora. Um sensor comum apenas regista o brilho de cada ponto, nada mais.

O sensor de fase revelou-se tão sensível que o próprio equipamento do ensaio se tornou o factor limitativo.

As medições quase não derivaram, e a pequena deriva observada pareceu acompanhar oscilações minúsculas no laser que alimentava o píxel, inferiores a um décimo de grau.

Um só píxel, muitos papéis

O grande ganho esteve em concentrar todas estas funções numa estrutura diminuta.

Um único píxel, sem ser maior do que os que já estão compactados em câmaras e ecrãs, poderia medir brilho, fase e polarização ao mesmo tempo - e também produzi-los.

Num dos ensaios, o dispositivo utilizou os dois sentidos em paralelo: mediu a fase da luz que entrava enquanto focava um ponto de luz emitida e, como o foco se ajustava ao que chegava, o píxel podia corrigir a sua própria saída em tempo real.

Curiosamente, desenhar os píxeis Fourier é descrito como algo simples. A matemática standard não exige modelos computacionais pesados, e o grupo refere que consegue passar de uma ideia nova a um dispositivo funcional em cerca de um dia.

De píxeis a superfícies inteligentes

O alvo mais evidente é uma classe de chips chamada câmara-ecrã: superfícies que observam e exibem ao mesmo tempo.

Um exemplo seria captar o seu rosto numa videochamada a partir de trás dos próprios píxeis que estão a mostrar a outra pessoa, ou alimentar ecrãs holográficos.

Como é a própria superfície que faz a “conta”, uma grelha de píxeis Fourier poderá um dia reagir a uma imagem recebida e responder com luz gerada por si - sem um computador pelo meio.

Isso permitiria que um chip plano detectasse e respondesse num único passo.

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