¿Cómo funciona el píxel de Fourier que convierte pantallas en cámaras?

Un equipo de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, la ETH, ha desarrollado un nuevo componente óptico capaz de generar y analizar luz desde una misma superficie. Bautizado como píxel de Fourier, puede controlar no solo el brillo, sino también la fase y la polarización de las ondas luminosas. Dicho de forma menos académica: un futuro dispositivo podría enseñar una imagen y, al mismo tiempo, percibir la luz que llega desde el usuario o desde la habitación.

La investigación, publicada en la revista científica Nature, no significa que los televisores, móviles y ordenadores estén a punto de convertirse en cámaras invisibles. El prototipo sigue en una etapa experimental, sus estructuras son estáticas y el siguiente objetivo consiste en reunir muchos de estos elementos en una matriz funcional. Pero el principio físico ya ha sido demostrado: el mismo píxel puede emitir y recibir luz.

Un píxel que mira mientras muestra

Los píxeles actuales viven, por así decirlo, en mundos separados. Los de una pantalla producen puntos de luz que, vistos a cierta distancia, forman textos, fotografías o ese capítulo que seguimos viendo aunque juramos que era el último. Los sensores de una cámara hacen lo contrario: reciben fotones, miden su intensidad y convierten esa información en una imagen digital.

El píxel de Fourier borra esa frontera. La superficie diseñada por los investigadores puede manejar intensidad, fase y polarización, tres propiedades que contienen mucha más información que la mera cantidad de luz. La intensidad permite distinguir zonas claras y oscuras; la fase indica en qué momento de su oscilación se encuentra una onda respecto a otra; la polarización describe la orientación de su campo eléctrico.

Suena abstracto hasta que se traduce en aplicaciones: imágenes tridimensionales, reconocimiento de materiales, control preciso de haces luminosos o comunicaciones ópticas más densas. Una pantalla dejaría así de ser una superficie pasiva para convertirse en una especie de piel sensible a la luz.

El trabajo ha sido dirigido por David Norris, profesor del Laboratorio de Ingeniería de Materiales Ópticos de la ETH de Zúrich, con Yannik M. Glauser y Sander J. W. Vonk entre sus principales autores. La novedad no reside únicamente en colocar un emisor junto a un detector, algo que distintas tecnologías ya podían hacer, sino en integrar dentro de una arquitectura diminuta el control completo del campo luminoso.

Cómo funciona el píxel de Fourier

El dispositivo aprovecha la interferencia de las ondas, el mismo fenómeno por el que dos ondas pueden reforzarse hasta formar un punto brillante o anularse y dejar una zona oscura. Cuando la luz incide sobre una superficie, las ondas dispersadas desde distintos lugares se superponen. Su resultado depende de la forma del material y de la fase con la que cada onda continúa su camino.

Algo parecido ocurre al lanzar varias piedras sobre un estanque: los círculos se cruzan, levantan crestas o forman pequeños silencios en el agua. En este caso, las ondas no se dejan al azar. Los investigadores diseñan la superficie para que la luz termine formando el patrón óptico deseado.

Los científicos esculpieron superficies con ondulaciones calculadas y una precisión de pocos nanómetros. El relieve no es ornamental. Cada curva está diseñada mediante análisis de Fourier, una herramienta matemática que permite descomponer formas y señales complejas en combinaciones de ondas sencillas.

En vez de buscar a tientas una estructura válida mediante interminables simulaciones, el equipo calcula qué perfil debe tener la superficie para producir el campo de luz previsto. La geometría hace el trabajo: una especie de partitura microscópica escrita para que los fotones sigan una dirección concreta.

La superficie ondulada que ordena la luz

En los prototipos metálicos, la luz entrante se transforma primero en una onda plasmónica superficial, una excitación que viaja por la interfaz del material como una vibración pegada a su piel. Esa onda llega después al elemento de Fourier, una microestructura ondulada que la dispersa nuevamente hacia el espacio libre.

La forma del relieve decide cómo saldrá la luz: su dirección, su brillo, su fase, su color y su polarización. Al superponerse las ondas emitidas desde los distintos puntos, aparece el patrón previsto. Puede ser un foco diminuto, una cuadrícula, una imagen plana, una figura tridimensional o un haz con forma de rosquilla y un centro oscuro provocado por una singularidad de fase.

El proceso también funciona al revés. Cuando llega una onda desconocida, el píxel la convierte en ondas guiadas y genera un patrón de interferencia que revela sus características. La posición de las franjas oscuras y luminosas permite reconstruir la fase; otras configuraciones calculan la polarización.

No es que la superficie vea como un ojo humano. Hace algo más elemental y, a la vez, más profundo: traduce el comportamiento físico de la luz a una señal que puede medirse. La pantalla no entiende lo que tiene delante, claro, pero aprende a registrar cómo la luz rebota, gira o se deforma.

Qué ha demostrado el equipo de Zúrich

Los experimentos fueron bastante más allá de una simulación elegante sobre una pantalla de laboratorio. Los investigadores fabricaron píxeles sobre superficies de plata y también demostraron el principio con nitruro de silicio, un material compatible con circuitos fotónicos.

Crearon haces vorticiales con distintos grados de torsión, imágenes en varios colores, figuras tridimensionales y puntos de enfoque situados a diferentes alturas sobre el dispositivo. El prototipo consiguió manipular propiedades de la luz que una pantalla convencional ni siquiera intenta controlar.

Uno de los píxeles concentró la luz en un punto situado 25 micrómetros por encima de su superficie, con un foco limitado por la propia difracción. En determinadas longitudes de onda, los dispositivos superaron una eficiencia total del 40 % entre la potencia recibida y la enviada al resultado óptico deseado.

No es una cifra extrapolable sin más a una pantalla doméstica, porque depende de una geometría concreta de iluminación. Sí confirma que la idea no se pierde en una nube de luz débil y ruido de fondo. El dispositivo genera una respuesta óptica suficientemente definida como para hablar de una demostración funcional, no de una mera hipótesis.

El equipo también superpuso funciones dentro de un mismo elemento. Un píxel puede codificar dos imágenes diferentes en polarizaciones ortogonales; al girar un analizador óptico aparece una u otra, con un cruce insignificante entre ambas.

En otro ensayo, el dispositivo midió la fase de la luz incidente mientras generaba simultáneamente un punto enfocado. Ahí está el verdadero salto: no dos piezas pegadas, sino bidireccionalidad óptica dentro de una misma arquitectura.

El diseño, además, resulta comparativamente rápido. Los autores aseguran que no necesitaron simulaciones electromagnéticas para producir los dispositivos del estudio y que, por lo general, podían pasar de una idea a un componente funcional en aproximadamente un día.

Las superficies poco profundas reducen las interferencias no deseadas entre funciones y permiten trabajar con modelos matemáticos lineales, más manejables. Menos fuerza bruta informática, más geometría bien planteada. A veces la elegancia también sirve para ahorrar horas de cálculo.

Pantallas holográficas, realidad aumentada y óptica adaptativa

La aplicación más llamativa es la pantalla-cámara bidireccional. En ella, cada punto podría proyectar información y analizar al mismo tiempo la luz que recibe. Durante una videollamada, por ejemplo, la captura podría realizarse desde la propia zona donde aparecen los ojos del interlocutor.

Eso evitaría esa mirada ligeramente perdida que producen las cámaras colocadas sobre la pantalla, una conversación digital en la que todos parecemos atender a alguien sentado unos centímetros más arriba. Es una posibilidad técnica razonable, aunque el estudio no presenta todavía un monitor de ese tipo.

En realidad aumentada, unos píxeles capaces de emitir y detectar campos luminosos podrían ajustar la imagen proyectada a la posición del ojo, a la iluminación de la habitación o a los reflejos de una lente. La imagen virtual dejaría de caer sobre el mundo como una pegatina brillante y podría reaccionar a él.

El mismo principio interesa para las pantallas holográficas, donde controlar la fase resulta esencial para reconstruir frentes de onda que el ojo interpreta como objetos con profundidad. No se trataría solo de mostrar una ilusión tridimensional, sino de fabricar la trayectoria luminosa que produciría un objeto real.

La óptica adaptativa ofrece otro terreno fértil. Telescopios, microscopios y sistemas de imagen corrigen deformaciones de la luz producidas por la atmósfera, las lentes o los tejidos biológicos. Un elemento que mida esas alteraciones y genere una respuesta compensatoria desde el mismo lugar podría simplificar equipos que ahora necesitan sensores y moduladores separados.

También aparecen las comunicaciones por fibra y el procesamiento de información cuántica. La fase y la polarización pueden transportar datos adicionales, de modo que controlar ambas propiedades dentro de un componente compacto abre vías para transmisores, receptores y procesadores ópticos integrados.

La propia superficie podría incluso realizar ciertos cálculos físicos sin enviar primero toda la información a un procesador electrónico: la luz entra, las ondas interfieren y el resultado aparece. Física trabajando como calculadora, sin ventilador ni pantalla azul.

Lo que aún no puede hacer

El titular más tentador, una pantalla que se convierte en cámara, necesita un asterisco considerable. Los prototipos del estudio son píxeles estáticos: su relieve se fabrica para ejecutar una función determinada y no cambia como lo hace un píxel OLED cuando reproduce un vídeo.

Los investigadores lograron modificar algunas salidas alterando externamente la fase de la luz de entrada, pero una pantalla práctica requeriría materiales ajustables o no lineales capaces de reconfigurar cada elemento de manera rápida y controlada.

Tampoco existe todavía una gran matriz comparable al sensor de una cámara o al panel de un teléfono. El estudio incluye pequeñas agrupaciones y calcula que una arquitectura futura podría alcanzar alrededor de un millón de píxeles por centímetro cuadrado, pero fabricar, alimentar, controlar y leer una superficie completa es otro problema.

La industria tecnológica está llena de prototipos magníficos que funcionaron sobre una mesa y envejecieron esperando una fábrica que los hiciera baratos. Entre una demostración científica y un producto comercial hay un pasillo largo, mal iluminado y lleno de costes industriales.

Los sensores actuales, además, fueron diseñados para longitudes de onda específicas. Para obtener información espectral amplia habría que agrupar elementos preparados para distintos colores o desarrollar estructuras más versátiles.

La eficiencia, la uniformidad, la disipación térmica, la integración electrónica y la producción a gran escala siguen abiertas. El equipo reconoce el camino pendiente y sitúa como objetivo cercano la creación de una matriz de píxeles de Fourier.

Existe, por supuesto, un ángulo de privacidad. Una pantalla capaz de captar luz desde toda su superficie necesitaría controles visibles, permisos claros e indicadores imposibles de camuflar.

El artículo científico no estudia ese asunto y el prototipo no es una cámara doméstica secreta, pero la cuestión vendrá pegada a la tecnología como la etiqueta a una camisa nueva. Ver y mostrar desde el mismo plano puede mejorar la interacción; también obliga a dejar muy claro cuándo el dispositivo está observando.

La pantalla deja de ser una pared

Durante casi un siglo, desde que la expresión picture element empezó a circular, el píxel ha sido una pieza especializada. O emitía luz o la recogía. El trabajo de la ETH de Zúrich propone otra categoría: una microestructura bidireccional que gobierna la luz y maneja propiedades que los paneles convencionales apenas rozan.

No hay todavía un móvil sin cámara frontal, un televisor que fotografíe el salón ni unas gafas holográficas fabricadas con esta tecnología. Lo que sí existe es una demostración sólida de que pantalla y sensor pueden compartir el mismo ladrillo óptico.

Falta levantar el edificio: matrices dinámicas, circuitos de control, fabricación industrial y reglas de privacidad sensatas. El píxel de Fourier no convierte de golpe las pantallas en cámaras. Cambia algo anterior, quizá más importante: la idea de lo que una pantalla puede ser.

Ya no una pared iluminada, sino una membrana fina que emite, escucha la luz y responde. Una superficie que muestra el mundo y, al mismo tiempo, empieza a percibir cómo el mundo la mira.