Im amerikanischen Technikmagazin Wireless World tauchte 1927 im Zusammenhang mit der frühen Fernsehtechnik erstmals der Begriff «picture element» (Bildelement) auf, der später zu Pixel verkürzt wurde. Pixel sind heute allgegenwärtig: In Computerbildschirmen und Fernsehgeräten, wo sie bunte Bilder erzeugen. Aber auch in Kameras, wo sie Bilder aufnehmen. In jedem Fall jedoch machen sie entweder das Eine oder das Andere – entweder sie kontrollieren Licht wie im Fall eines Bildschirms, oder sie analysieren es wie bei einem Kamerasensor. Pixel, die beides können, gab es bislang nicht.
Ein Forschungsteam um David Norris, Professor am Optical Materials Engineering Laboratory der ETH Zürich, hat nun erstmals solche Pixel entwickelt. Mit ihnen kann Licht sowohl gesteuert als auch analysiert werden. Dabei kann nicht nur die Intensität des Lichts, sondern auch seine Schwingungsphase und Polarisierung kontrolliert und analysiert werden. Aus solchen sogenannten bidirektionalen Pixeln könnten in Zukunft zum Beispiel Kamera-Displays entstehen, die beide Funktionen in einem Gerät vereinen.
Muster und Bilder aus überlagerten Lichtwellen
Die neuen Ergebnisse, die soeben im Fachjournal externe Seite Nature veröffentlicht wurden, beruhen auf einem fundamentalen physikalischen Effekt: der sogenannten Interferenz von Lichtwellen. Wird Licht von einer Oberfläche gestreut, so überlagern sich die Wellen, die von verschiedenen Punkten auf der Oberfläche ausgehen. Die Form der Oberfläche entscheidet dann darüber, mit welchen Schwingungsphasen sich die Wellen weiter ausbreiten. Sind die Phasen gleich, so verstärken sich die Lichtwellen, sind sie aber entgegengesetzt, so löschen sie sich gegenseitig aus.
Norris und seine Mitarbeitenden nutzen diesen Effekt, um mit einer wellenförmig modellierten Oberfläche eines Materials Licht präzise zu steuern. Diese auf Nanometer genaue Bearbeitungsmethode entwickelten sie bereits vor einigen Jahren. Zur Steuerung wird das einfallende Licht im Material zunächst vom Pixel, also der Stelle auf dem Chip, an der das Material bearbeitet wurde, in eine Oberflächenwelle (ein sogenanntes Oberflächen-Plasmon-Polariton) umgewandelt, die sich entlang der Oberfläche des Chips ausbreitet.
Die Oberflächenwelle wird an anderer Stelle innerhalb des Pixels wieder aus dem Material als Lichtwelle gestreut. Durch die Interferenz der Lichtwellen können dann Muster und Bilder entstehen. Wie diese Bilder aussehen und welches Oberflächenmuster man für ein bestimmtes Bild braucht, können die Forschenden mit der mathematischen Fourier-Analyse berechnen.