Ekran przyszłości może nie być ekranem. Nowa powierzchnia robi hologramy

Naukowcy z Chin pokazali metapowierzchnię zdolną do generowania 62 holograficznych obrazów jednocześnie. To jeszcze nie jest holograficzny telewizor do naszego salonu ani smartfon, który wyświetli księżniczkę Leię nad biurkiem. Jest to jednak bardzo dobry przykład kierunku, w którym mogą iść wyświetlacze, radary, systemy komunikacji i czujniki przyszłości.

Klasyczny ekran działa dosyć prosto. Ma piksele, które świecą albo przepuszczają światło. Zmieniamy jasność i kolor pikseli, a oko składa z tego obraz. Metapowierzchnia działa inaczej. To sztucznie zaprojektowany materiał złożony z tysięcy mikroskopijnych elementów, które potrafią zmieniać sposób, w jaki fala odbija się, załamuje albo rozprasza.

Taka powierzchnia może zachowywać się jak bardzo płaska, bardzo inteligentna optyka. Zamiast grubych soczewek, luster, filtrów i mechanicznych układów dostajemy cienką warstwę, która steruje falą przez odpowiednio zaprogramowane elementy.

W najnowszym eksperymencie wykorzystano metapowierzchnię z 6144 niezależnie sterowanymi elementami. Każdy z nich może przełączać się między dwoma stanami fazy, czyli działa w uproszczeniu jak 1-bitowy przełącznik dla fali. Gdy takich elementów są tysiące, a ich stan zmienia się szybko i według odpowiednio dobranego kodu, zaczyna się prawdziwa magia. Ta magia nie polega na świeceniu jak ekran. Polega na kształtowaniu fali tak, żeby w wybranym miejscu powstał określony obraz holograficzny.

Dotychczasowe metahologramy często wykorzystywały różne kanały światła albo fal: polaryzację, długość fali, kąt padania czy orbitalny moment pędu. To pozwalało upychać więcej informacji w jednej strukturze, ale zwykle pojawiał się problem kompromisu. Więcej kanałów oznaczało trudniejsze sterowanie, gorszą jakość, wolniejsze odświeżanie albo mniejszą elastyczność.

Nowe podejście jest ciekawe dlatego, że wykorzystuje nie tylko przestrzeń, lecz także czas. Badacze zastosowali tzw. kodowanie czasoprzestrzenne. Metapowierzchnia zmienia swoje właściwości bardzo szybko, a padająca na nią fala o jednej częstotliwości zostaje rozbita na wiele harmonicznych, czyli nowych składowych częstotliwości.

Można to porównać do instrumentu, który dostaje jeden ton, ale dzięki szybkim zmianom potrafi wygenerować cały akord. Każda harmoniczna może nieść inną informację i tworzyć własny hologram. Właśnie dlatego jedna powierzchnia może jednocześnie produkować wiele obrazów.

Do zaprojektowania tych wzorów wykorzystano algorytm ST-GS, czyli czasoprzestrzenną wersję metody Gerchberga-Saxtona. W uproszczeniu, algorytm dobiera sposób przełączania elementów metapowierzchni tak, by przy konkretnych harmonicznych powstały konkretne obrazy. W eksperymencie były to m.in. cyfry i litery.

Obietnice hologramów w elektronice konsumenckiej wracają regularnie od lat i zwykle kończą się rozczarowaniem. Tym razem nie mówimy jednak o marketingowym patencie dla smartfona, lecz o fizycznym mechanizmie zwiększania liczby kanałów holograficznych.

Badacze wygenerowali 62 różne obrazy holograficzne jednocześnie. Nie po kolei, nie przez szybkie przełączanie jednego obrazka za drugim, tylko równolegle, w wielu kanałach harmonicznych.

W wielu technikach wyświetlania lub projekcji można oszukać oko sekwencją bardzo szybkich zmian. Jeśli obraz zmienia się wystarczająco szybko, człowiek widzi płynny efekt. Tutaj idea jest inna: wiele kanałów istnieje równocześnie, a nie tylko w kolejnych klatkach.

Metapowierzchnia osiągnęła w tym przypadku odświeżanie powyżej 1 MHz i równoważną przepustowość kodowania 6 Gb/s. To nie są parametry typowego monitora, bo mówimy o zupełnie innej klasie urządzenia. Pokazują jednak, że taka powierzchnia może działać bardzo szybko i potencjalnie obsługiwać dużą ilość informacji.

Zespół pokazał też 1024-kanałowe hologramy w formie rozkładów punktów oraz demonstrację śledzenia wielu celów. Hologramy w tym kontekście nie muszą być wyłącznie atrakcją dla naszego oka. Mogą być sposobem kierowania wiązek, kodowania informacji i jednoczesnej pracy z wieloma obiektami.

Ta technologia może być zalążkiem przyszłych wyświetlaczy. Holografia od dawna jest marzeniem branży AR, VR i ekranów 3D, bo pozwalałaby tworzyć bardziej naturalne obrazy przestrzenne, bez prostych sztuczek opartych wyłącznie na dwóch oddzielnych obrazach dla oczu.

Jednak jej zastosowania są o wiele szersze. Programowalne metapowierzchnie mogą mieć znaczenie dla radarów, czujników, komunikacji bezprzewodowej, obrazowania i systemów śledzenia. Jeśli jedna powierzchnia potrafi kierować różne wiązki w różne miejsca i robić to jednocześnie, może pomagać w śledzeniu wielu obiektów, adaptacyjnym formowaniu wiązki i przesyłaniu danych w bardziej złożonych kanałach.

Przeczytaj także:

W pracy pojawia się także kontekst komunikacji nowej generacji. 6G i kolejne systemy nie będą polegały wyłącznie na szybszym internecie w telefonie. Będą wymagały inteligentnego zarządzania falami w przestrzeni: kierowania sygnałów, omijania przeszkód, łączenia komunikacji z detekcją i dynamicznego dostosowywania środowiska radiowego.

Przyszłe systemy komunikacji będą coraz mocniej łączyć elektronikę, fotonikę i wysokie częstotliwości. Metapowierzchnie zamiast tylko wysyłać sygnał, zaczynamy aktywnie kształtować jego drogę.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI