Naukowcy z Uniwersytetu w Stuttgarcie zbudowali metapowierzchnię, która reaguje na polecenia z klawiatury oraz kontrolera. Wpisane znaki były zamieniane w holograficzne litery i cyfry, a ruchy gracza sterowały uproszczonymi wersjami Snake’a i gry przypominającej Tetrisa. Ważniejszy od samych demonstracji jest jednak fakt, że poszczególne fragmenty układu można było przełączać niezależnie w czasie liczonym w milisekundach.
Klawiatura nie wyświetlała znaków
Nie była to jednak holograficzna klawiatura ani obraz unoszący się swobodnie w powietrzu. Naciśnięcia klawiszy trafiały do komputera, który zamieniał je w zestaw sygnałów elektrycznych. Te z kolei sterowały metapowierzchnią odbijającą światło w taki sposób, aby na ustawionym dalej ekranie pojawił się odpowiedni znak.
Pierwszy prototyp korzystał z matrycy 4 x 4, czyli 16 niezależnie kontrolowanych obszarów. Każda litera lub cyfra była zapisana jako odpowiednia konfiguracja włączonych i wyłączonych segmentów. System obsługiwał 62 znaki, a w tym małe i wielkie litery oraz cyfry. Oczywiście więc nie można porównywać go bezpośrednio z monitorem, którego każdy piksel może wyświetlić dowolny kolor. Profile odpowiedzialne za powstawanie fragmentów obrazu zostały zapisane już podczas produkcji nanostruktur. Elektronika wybierała jedynie, które części mają być aktywne. Mimo tego użytkownik mógł zmieniać projekcję na bieżąco, bez wymiany elementów optycznych.
Metapowierzchnia zamiast klasycznej soczewki
Tradycyjne soczewki kontrolują światło swoim kształtem, grubością i materiałem. Ich działanie zostaje ustalone podczas produkcji i później nie można go łatwo zmienić. Metapowierzchnia jest zaś płaską warstwą pokrytą strukturami mniejszymi od długości fali światła. Odpowiednio zaprojektowane nanoelementy pozwalają kontrolować kierunek, fazę lub polaryzację światła bez stosowania grubych układów soczewek.
W konstrukcji ze Stuttgartu wykorzystania doczekały się złote nanoanteny pokryte cienką warstwą polianiliny, czyli przewodzącego polimeru zmieniającego swoje właściwości pod wpływem napięcia. Zależnie od stanu materiału anteny silniej odbijały światło albo ich działanie było tłumione. Następnie każdy obszar metapowierzchni otrzymał własną przezroczystą elektrodę. Dzięki temu badacze mogli przełączać segmenty oddzielnie i nie powodować przy tym istotnych zakłóceń w sąsiednich częściach układu. Wystarczały napięcia niższe niż 1 V.
Przełączenie segmentu ze stanu wyłączonego do włączonego zajmowało około 24 milisekund. Zmiana w przeciwną stronę trwała około 2 milisekund. Nie jest to jeszcze poziom współczesnych ekranów gamingowych, ale wystarcza do tworzenia prostego obrazu reagującego na działania użytkownika. Kontrast między stanem aktywnym i nieaktywnym wynosił 3,5:1. Naukowcy twierdzą, że można byłoby go poprawić grubszą warstwą polimeru, ale odbyłoby się to kosztem wolniejszej reakcji. Sam prototyp miał udowodnić, że poszczególne obszary metapowierzchni mogą szybko i niezależnie reagować na sygnały elektroniczne. Ten cel udało się osiągnąć.
Snake na 36 optycznych pikselach
W drugim eksperymencie badacze użyli matrycy 6 x 6, czyli 36 przełączanych obszarów. Do systemu podłączyli kontroler, którym można było sterować holograficzną wersją Snake’a oraz spadającymi blokami w grze inspirowanej Tetrisem. Pole gry miało około 5 x 5 cm i było wyświetlane na ekranie umieszczonym 10 cm od metapowierzchni. Snake reagował na zmianę kierunku, a bloki można było przesuwać oraz obracać.
Czytaj też: Największy błąd Einsteina powraca. To fundament współczesnej kosmologii, który ma poważną lukę
Pod względem rozgrywki jest to eksperyment prostszy od gier uruchamianych na kalkulatorach. Badaczom nie chodziło jednak o jakość grafiki. Demonstracja miała pokazać zamkniętą pętlę między użytkownikiem, elektroniką i światłem. Gracz wykonywał ruch, komputer aktualizował stan urządzenia, a projekcja zmieniała się bez mechanicznego przestawiania elementów optycznych.
Do gotowego produktu nadal bardzo daleko
Prototyp wymagał czerwonego lasera o długości fali 633 nanometrów, dodatkowych elementów optycznych oraz ekranu, na którym pojawiał się obraz. Nie był to wielokolorowy hologram wiszący w przestrzeni. Metapowierzchnia działała również w komórce elektrochemicznej wypełnionej roztworem kwasu azotowego. Elektrolit był potrzebny do przełączania polianiliny. Naukowcy przygotowali wprawdzie zamkniętą wersję urządzenia, która przetrwała ponad 1200 cykli, ale taki wynik nie pozwala jeszcze mówić o trwałości wystarczającej dla elektroniki użytkowej.
Największym problemem będzie skalowanie. Przy 36 obszarach można doprowadzić osobne połączenie do każdego z nich. Przy tysiącach lub milionach pikseli trzeba opracować znacznie bardziej zaawansowany sposób sterowania, produkcji oraz prowadzenia elektrod. Badacze wskazują również na konieczność zastąpienia ciekłego elektrolitu materiałem żelowym lub stałym. Dopiero wtedy podobny układ mógłby stać się bardziej kompaktowy i odporny.
Tutaj nie chodzi o zastąpienie monitora
Patrzenie na ten prototyp wyłącznie jak na prymitywny ekran prowadzi do błędnych wniosków. Matryca 6 x 6 nie ma żadnego zastosowania jako wyświetlacz, ale metapowierzchnia nie musi konkurować z monitorem. Ten sam programowalny element mógłby w przyszłości sterować kierunkiem wiązki, zmieniać sposób skupiania światła, filtrować wybrane długości fal albo dostosowywać działanie czujnika. Jedna cienka warstwa mogłaby wykonywać zadania wymagające dziś kilku soczewek, filtrów i elementów mechanicznych.
Tego typu podobny kierunek widać przy metapowierzchniach wykonujących kilka funkcji optycznych jednocześnie oraz przy elastycznych powierzchniach łączących wyświetlanie obrazu ze zmianą fizycznego kształtu. W każdym z tych przypadków płaski materiał przestaje być biernym elementem i zaczyna reagować na warunki lub polecenia. Potencjalne zastosowania obejmują systemy obrazowania, komunikację optyczną, czujniki, elektronikę noszoną i urządzenia rozszerzonej rzeczywistości. Na początku najpewniej trafią do wyspecjalizowanych konstrukcji, w których niska masa i możliwość szybkiej zmiany działania będą ważniejsze od kosztu.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Do praktycznych urządzeń pozostało jednak wiele problemów do rozwiązania. Zwłaszcza w kwestii trwałości, skalowania i zastąpienia ciekłego elektrolitu. Jeśli jednak naukowcom uda się je pokonać, to przyszłe układy optyczne mogą zmieniać swoje funkcje bez poruszania soczewek i wymiany fizycznych komponentów.
Źródła: Nature Communications
