В 1927 году американский журнал Wireless World впервые использовал термин «picture element» — позже его сократили до «pixel». С тех пор пиксели повсюду: в экранах и телевизорах они создают цветные картинки, управляя светом. В камерах — наоборот, анализируют свет, захватывая изображение. И до недавнего времени не было пикселей, способных делать и то, и другое.
Команда исследователей из ETH Zurich под руководством профессора Дэвида Норриса (David Norris) впервые такие создала. Эти пиксели могут одновременно управлять светом и анализировать его. Причём не только интенсивность, но и фазу колебаний с поляризацией. В будущем такие двунаправленные пиксели позволят делать «камеры-дисплеи» — одно устройство, которое и показывает картинку, и снимает.
Результаты опубликованы в журнале Nature. В основе лежит фундаментальный эффект — интерференция световых волн. Когда свет рассеивается на поверхности, волны от разных точек накладываются друг на друга. Форма поверхности определяет, как различаются фазы волн и как они дальше распространяются. Совпадают фазы — волны усиливаются, противоположны — гасят друг друга.
Норрис и его коллеги используют этот эффект, обрабатывая поверхность chips с точностью до нескольких нанометров: они вырезают на ней волнообразный рельеф. Работает это так. Пиксель (участок на chips с такой обработкой) сначала превращает входящий свет в поверхностную волну — так называемый поверхностный плазмон-поляритон (surface plasmon polariton). Эта волна бежит вдоль поверхности chips. В другой точке внутри пикселя она рассеивается обратно в обычную световую волну. За счёт интерференции таких волн и получаются изображения и узоры.
С помощью математического анализа Фурье учёные заранее рассчитывают, какой рельеф нужен для конкретной картинки, и как эта картинка будет выглядеть.