I Harvards Pierce Hall, ytan på en liten germaniumbelagd guldplatta lyser livfullt i crimson. En centimeter till höger, där samma metalliska beläggning bokstavligen bara är cirka 20 atomer tjockare, ytan är mörkblå, nästan svart. Färgerna utgör logotypen för Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), där forskare har visat ett nytt sätt att anpassa färgen på metallytor genom att utnyttja ett helt förbisett optiskt fenomen.

I århundraden trodde man att tunnfilmstörningseffekter, som de som får oljiga trottoarer att reflektera en regnbåge av virvlande färger, kan inte förekomma i ogenomskinliga material. Harvard -fysiker har nu upptäckt att även mycket "förlorande" tunna filmer, om det är atomärt tunt, kan skräddarsys för att återspegla ett visst spektrum av dramatiska och levande färger.

Publicerad i tidskriften Naturmaterial den 14 oktober, fyndet öppnar nya möjligheter för sofistikerade optiska enheter, samt konsumentprodukter som smycken och nya tekniker inom bildkonsten.

Upptäckten är den senaste som kom fram från laboratoriet för Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering på SEAS, vars forskargrupp senast producerade ultratunna platta linser och nålljusstrålar som skummar ytan på metaller. Den röda tråden i Capassos senaste arbete är manipulation av ljus vid gränssnittet av material som är konstruerade på nanoskala, ett fält som kallas nanofotonik. Doktorand och huvudförfattare Mikhail A. Kats bar det temat in i färgområdet.

"I min grupp, vi granskar ofta gamla fenomen, där du tror att allt redan är känt, "Säger Capasso." Om du har uppfattningsfulla ögon, som många av mina elever gör, du kan upptäcka spännande saker som har förbises. I det här fallet var det nästan en snedvridning bland ingenjörer att om du använder störningar, vågorna måste studsa många gånger, så materialet var bättre att vara transparent. Vad Mikhail gjort-och det är visserligen enkelt att beräkna-är att visa att om du använder en ljusabsorberande film som germanium, mycket tunnare än ljusets våglängd, då kan du fortfarande se stora störningseffekter. "

Resultatet är en struktur som består av endast två element, guld och germanium (eller många andra möjliga parningar), som lyser i vilken färg man än väljer.

"Vi är alla bekanta med fenomenet som du ser när det finns en tunn bensinfilm på vägen en våt dag, och du ser alla dessa olika färger, "förklarar Capasso.

Dessa färger visas eftersom topparna och dalarna i ljusvågorna stör varandra när de passerar genom oljan i vattnet nedanför och reflekterar tillbaka upp i luften. Vissa färger (våglängder) ökar ljusstyrkan (amplitud), medan andra färger går förlorade.

Det är i huvudsak samma effekt som Capasso och Kats utnyttjar, med medförfattarna Romain Blanchard och Patrice Genevet. Den absorberande germanium -beläggningen fångar vissa ljusfärger samtidigt som den vänder på andras fas så att vågornas toppar och dalar ligger nära och reflekterar en ren, levande färg.

"Istället för att försöka minimera optiska förluster, vi använder dem som en integrerad del av utformningen av tunnfilmsbeläggningar, "noterar Kats." I vår design, reflektion och absorption samarbetar för att ge maximal effekt. "

Mest förvånande, fastän, en skillnad på bara några atoms tjocklek över beläggningen är tillräcklig för att åstadkomma de dramatiska färgskiftningarna. Germaniumfilmen appliceras genom standardtillverkningstekniker - litografi och fysisk ångavsättning, som forskarna jämför med stenciling och spraymålning-så med endast en minimal mängd material (en tjocklek mellan 5 och 20 nanometer), genomarbetade färgade mönster kan enkelt mönstras på vilken yta som helst, stor eller liten.

"Bara genom att ändra tjockleken på den filmen med cirka 15 atomer, du kan ändra färg, "säger Capasso." Det är anmärkningsvärt. "

Forskarna har redan utfört samma behandling på silver, får det att se ut som guld, samt en rad pastellfärger.

Harvards kontor för teknikutveckling har lämnat in en patentansökan och arbetar med Capasso -labbet för att driva kommersialiseringen av denna nya teknik, antingen genom ett nystartat företag eller genom licensiering till befintliga företag. Användningsområden som utforskas inkluderar konsumentprodukter och optiska enheter, som filter, visar, solceller, detektorer, och modulatorer.