Kolejne osiągnięcie zespołu fizyków kierowanego przez prof. Andrzeja Stupakiewicza z Wydziału Fizyki UwB zostało opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”. W artykule zaprezentowana została nowa koncepcja wykorzystania ultraszybkiego zapisu magnetycznego do tworzenia i wyświetlania dynamicznych obrazów holograficznych.

Jak podają autorzy publikacji, dzięki uzyskanym wynikom będzie możliwe pokonanie bariery rozdzielczości oraz szybkości obliczeń i wyświetlania obrazów holograficznych, zwłaszcza w przyocznych wyświetlaczach 3D.

- Opracowanie w pełni trójwymiarowych wyświetlaczy pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej nauki i technologii. Docelową i jedyną możliwością naturalnego wyświetlania przestrzennych obrazów 3D pozostaje holografia. Oprócz perfekcyjnego oddania głębi z pełną paralaksą dwukierunkową, oferuje ona możliwość niezwykle wydajnego i prostego obrazowania dynamicznego, zarówno w wyświetlaczach telewizyjnych, jak i w nagłownych wyświetlaczach przyocznych. Co zatem sprawia, że nadal nie widzimy na półkach urządzeń opartych o tę technologię? Otóż, do odtworzenia wysokiej jakości obrazu 3D wymagana jest olbrzymia rozdzielczość wzoru holograficznego, znacznie przekraczająca standardy klasycznej telewizji. Drugim problemem jest konieczność obliczania, przesyłania i aktualizowania w pamięci komputerowej tak dużej ilości informacji niezbędnych do odtworzenia końcowych obrazów 3D, w czasie rzeczywistym, w ośrodku modulującym światło – wyjaśnia prof. Andrzej Stupakiewicz.

Zespół fizyków z Uniwersytetu w Białymstoku i Politechniki Warszawskiej, we współpracy z naukowcami z Japonii i Holandii, zaproponował nową metodę pokonującą te ograniczenia. Istota odkrycia polega na zastosowaniu do zapisu hologramów generowanych komputerowo, nośnika optomagnetycznego. Jest to znany, syntetyczny stop gadolinu, żelaza i kobaltu w postaci warstwy o grubości 20 nanometrów na podłożu szklanym. Niezwykłą cechą tego materiału jest możliwość magnetycznego zapisu dowolnych wzorów za pomocą wyłącznie impulsów z lasera femto- lub pikosekundowego, w sposób powtarzalny i odwracalny.

Metody ultraszybkiego zapisu magnetycznego w ostatnich latach sukcesywnie rozwija zespół prof. A. Stupakiewicza z Katedry Fizyki Magnetyków UwB.

- Po raz pierwszy zaproponowaliśmy wykorzystanie ultraszybkiego zapisu magnetycznego do tworzenia wzorów holograficznych o dużej rozdzielczości przestrzennej - tłumaczy prof. A. Stupakiewicz.

W artykule zaprezentowano gęstość umożliwiającą zapis 3600 x 3600 punktów na jeden cal kwadratowy. Zaproponowana nowa metoda, przy zastosowaniu bezpikselowego nośnika magnetycznego, zapamiętuje obraz holograficzny tak, jak w dysku magnetycznym, natomiast sam proces zapisu, kasowania i ponownego zapisu odbywa się bezkontaktowo i wyłącznie za pomocą wiązki impulsów światła.

Pozostaje pytanie, jak można szybko generować pełny hologram o dużej rozdzielczości? Rozwiązanie tego problemu zaproponował zespół pod kierunkiem dr. hab. inż. Michała Makowskiego, prof. uczelni z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Został opracowany algorytm, który polega na obliczaniu hologramu punkt po punkcie. W tym przypadku pamięć komputera nie jest wymagana, a proces obliczenia jest realizowany przez procesory graficzne FPGA w czasie nawet nanosekundy. Jak podają autorzy publikacji, ultraszybki zapis magnetyczny umożliwia zapis punktu z czasem do kilkudziesięciu pikosekund.

- Szacuje się, że zastosowanie gigahercowej częstotliwości repetycji lasera światłowodowego oraz kilku modułów FPGA, pozwoli na dynamiczny, rekordowo wysokorozdzielczy zapis nawet 8000 x 8000 punktów z wymaganą docelową częstotliwością pełnych klatek 180 Hz – dodaje prof. Stupakiewicz.

Wszystkie badania eksperymentalne przedstawione w artykule zostały przeprowadzone w Białymstoku, przy wsparciu Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej w ramach projektu TEAM, koordynowanego przez prof. A. Stupakiewicza. Warto też podkreślić, że jednym z autorów publikacji, a także członkiem zespołu TEAM, jest doktorant na Wydziale Fizyki UwB, mgr inż. Antoni Frej, który planuje wkrótce obronę swojej pracy doktorskiej poświęconej wyjaśnieniu mechanizmów optycznego zapisu magnetycznego.

Ze względu na duży potencjał aplikacyjny nowej metody, zespoły z Uniwersytetu w Białymstoku oraz Politechniki Warszawskiej podjęły już dalsze prace badawczo-rozwojowe. W bieżącym roku udało się opracować laboratoryjny układ do zapisu i wizualizacji hologramów. Było to możliwe dzięki dodatkowym środkom finansowym z programu „Inkubator Innowacyjności 4.0” (jego koordynatorem ze strony UwB jest mgr inż. Maria Truskolaska ze Wschodniego Ośrodka Transferu Technologii). W celu ochrony wynalazku w październiku 2022 r. złożony został wniosek patentowy do Amerykańskiego Urzędu Patentowego, przygotowany wspólnie przez zespoły UwB i PW (przy aktywnym wsparciu mgr. inż. Mariusza Roszkowskiego z WOTT). Jak informuje prof. Stupakiewicz, obecnie nawiązywana jest współpraca z Centrum Transferu Technologii Politechniki Warszawskiej. Dzięki niej możliwe obędzie opracowanie prototypu holograficznego wyświetlacza przyocznego, a po uzyskaniu patentu - jego komercjalizacja.

Link do publikacji w „Nature Communications”: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35023-9

Na zdjęciu członkowie zespołu projektu TEAM (wśród nich czwórka współautorów publikacji w Nature: A. Frej, A. Stupakiewicz, M. Kołodziejczyk, J. Bomba).

Grafikę przygotował prof. A. Stupakiewicz -  wizualizacja nowej metody.