Bisher braucht es verschiedene Bauteile, um ein Bild aufzunehmen und darzustellen. Der Chip einer Kamera misst pixelweise die eingehende Lichtintensität, und das Display zeigt das Ergebnis dieser Aufnahme an. Eine Forschungsgruppe der ETH Zürich hat in der Fachzeitschrift »Nature« gezeigt, wie sich beides in einem Pixel vereinen lässt. Zusätzlich kann die Innovation weitere Eigenschaften des Lichts registrieren und beeinflussen, die herkömmliche Pixel nicht erfassen, geschweige denn anpassen können.

Diese neuartigen Bildschirm-Kameras heißen Fourier-Pixel – benannt nach dem mathematischen Werkzeug der Fourier-Reihe zur Analyse von Wellenmustern. Diese hilft dabei, Licht in seine einzelnen Frequenzen zu zerlegen und die Komponenten im sogenannten Frequenzraum örtlich voneinander zu trennen. So kann man außerdem nicht bloß die Intensität der eingehenden Lichtwelle messen, sondern zugleich Phase und Polarisation – also die Ausrichtung des elektrischen Felds des Lichts.

Um an diesen Punkt zu gelangen, erzeugt das Fourier-Pixel aus dem eingehenden Licht über komplexe Nanostrukturen eine Oberflächenwelle (ein sogenanntes Oberflächenplasmon-Polariton), die entlang des Pixels wandert. Diese Strukturen sind so gestaltet, dass sie jeweils bestimmte Fourier-Komponenten des Lichtfelds an unterschiedliche Orte lenken und die Welle gezielt streuen. Dadurch wird das ursprünglich überlagerte Wellenmuster in seine Bestandteile zerlegt, die sich räumlich getrennt auslesen lassen. So setzt bereits die physische Struktur die Fourier-Transformation in den Frequenzraum um. Zusätzliche Rechenleistung ist dafür nicht nötig.

Im umgekehrten Betrieb funktioniert das Prinzip analog: Regen die Forschenden die Oberflächenwelle gezielt an, lassen dieselben Strukturen die gestreuten Wellen genau so interferieren, dass ein gewünschtes Lichtfeld entsteht. So wird die Fourier-Transformation umgedreht, und das Pixel kann nicht nur messen, sondern auch kontrolliert komplexe Lichtwellen erzeugen.

Auf die Weise entsteht ein bidirektionales Pixel, das sowohl empfangen und analysieren als auch beliebig komplexe Wellenformen aussenden kann. Diese Technologie könnte viele Anwendungsgebiete erobern, von der Quanteninformationsverarbeitung über holografische Displays bis hin zu einer neuen Generation von Digitalkameras. Allerdings sind die Pixel mehrere zehn Mikrometer breit und damit rund zehnmal so groß wie in modernen Kameras.