I en underkällare djupt under laboratoriet för integrerad vetenskap och teknik vid Harvard University, Mikhail Kats klär på sig. Mesh skoskydd, en ansiktsmask, ett hårnät, en ljusgrå jumpsuit, stövlar i knähöga tyg, vinylhandskar, Skyddsglasögon, och en huva med spännen vid kragen - dessa är inte för att skydda honom, Kats förklarar, men för att skydda den ömtåliga utrustningen och materialen inuti renrummet.

Medan han fick sin doktorsexamen i tillämpad fysik vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Kats har tillbringat otaliga timmar i denna banbrytande anläggning. Med sin rådgivare, Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik, Kats har bidragit till några fantastiska framsteg.

Det ena är ett metamaterial som absorberar 99,75 procent av infrarött ljus - mycket användbart för värmeapparater. En annan är en ultratunn, platt lins som fokuserar ljuset utan att ge förvrängningar av konventionella linser. Och laget har producerat virvelstrålar, ljusstrålar som liknar en korkskruv, som skulle kunna hjälpa kommunikationsföretag att överföra mer data över begränsad bandbredd.

Helt klart det mest färgstarka framsteg som kommit från Capasso-labbet, dock, är en teknik som belägger ett metallobjekt med ett extremt tunt lager av halvledare, bara några nanometer tjock. Även om halvledaren är en stålgrå färg, objektet slutar lysa i livfulla nyanser. Det beror på att beläggningen utnyttjar störningar i de tunna filmerna; Kats jämför det med de iriserande regnbågarna som är synliga när olja flyter på vattnet. Noggrant inställd i laboratoriet, dessa beläggningar kan ge en ljus, fast rosa — eller, säga, en levande blå — med samma två metaller, appliceras med endast några få atomers skillnad i tjocklek.

Capassos forskargrupp meddelade fyndet 2012, men på den tiden, de hade bara visat beläggningen på relativt slät, plana ytor som kisel. Denna höst, gruppen publicerade en andra tidning, i journalen Bokstäver i tillämpad fysik , ta arbetet mycket längre.

"Jag klippte en bit papper ur min anteckningsbok och lade guld och germanium på den, " säger Kats, "och det fungerade precis likadant."

Det fyndet, bedrägligt enkelt med tanke på den fysik det handlar om, föreslår nu att de ultratunna beläggningarna kan appliceras på i princip vilket grovt eller flexibelt material som helst, från bärbara tyger till stretchbar elektronik.

"Detta kan ses som ett sätt att färglägga nästan alla föremål samtidigt som man använder bara en liten mängd material, "Säger Capasso.

Det var inte uppenbart att samma färgeffekter skulle vara synliga på grova underlag, eftersom störningseffekter vanligtvis är mycket känsliga för ljusvinkeln. Och på ett papper, Kats förklarar, "Det är kullar och dalar och fibrer och småsaker som sticker ut - det är därför du inte kan se din reflektion i det. Ljuset sprids."

Å andra sidan, de applicerade filmerna är så extremt tunna att de interagerar med ljus nästan omedelbart, så titta på beläggningen rakt på eller från sidan - eller, som det visar sig, Att titta på de grova defekterna i papperet – gör inte så stor skillnad för färgen. Och papperet förblir flexibelt, som vanligt.

Att demonstrera tekniken i renrummet på Center for Nanoscale Systems, en forskningsanläggning som stöds av National Science Foundation vid Harvard, Kats använder en maskin som kallas en elektronstråleindunstare för att applicera guld- och germaniumbeläggningen. Han förseglar pappersprovet inuti maskinens kammare, och en pump suger ut luften tills trycket sjunker till svindlande 10 ^-6 Torr (en miljarddels atmosfär). En ström av elektroner träffar en guldbit som hålls i en koldegel, och metallen förångas, färdas uppåt genom vakuumet tills det träffar papperet. Upprepa processen, Kats lägger till det andra lagret. Lite mer eller lite mindre germanium gör skillnaden mellan indigo och crimson.

Denna speciella labteknik, Kats påpekar, är enkelriktad, så för blotta ögat är mycket subtila skillnader i färgen synliga i olika vinklar, där något mindre av metallen har landat på sidorna av papprets åsar och dalar. "Du kan föreställa dig dekorativa applikationer där du kanske vill ha något som har lite av denna pärlemorskimrande look, där du tittar från olika vinklar och ser en annan nyans, "noterar han." Men om vi skulle gå bredvid och använda en reaktiv sputterer istället för denna e-beam förångare, vi skulle lätt kunna få en beläggning som passar ytan, och du skulle inte se några skillnader."

Många olika metallpar är möjliga, för. "Germanium är billigt. Guld är dyrare, självklart, men i praktiken använder vi inte mycket av det, " förklarar Kats. Capassos team har också demonstrerat tekniken med aluminium.

"Det här är ett sätt att färga något med ett mycket tunt lager av material, så i princip, om det är en metall till att börja med, du kan bara använda 10 nanometer för att färga den, och om det inte är det, du kan avsätta en metall som är 30 nm tjock och sedan ytterligare 10 nm. Det är mycket tunnare än en konventionell färgbeläggning som kan vara mellan en mikron och 10 mikron tjock. "

I de enstaka situationer där färgens vikt spelar roll, detta kan vara mycket viktigt. Capasso minns, till exempel, att den externa bränsletanken på NASA:s rymdfärja brukade vara vitmålad. Efter de två första uppdragen, ingenjörer slutade måla den och sparade 600 pounds av vikt.

Eftersom metallbeläggningarna absorberar mycket ljus, återspeglar endast en smal uppsättning våglängder, Capasso föreslår att de också skulle kunna integreras i optoelektroniska enheter som fotodetektorer och solceller.

"Det faktum att dessa kan deponeras på flexibla underlag har konsekvenser för flexibel och kanske till och med töjbar optoelektronik som kan vara en del av dina kläder eller kan rullas upp eller vikas, " säger Capasso.

Harvards kontor för teknikutveckling fortsätter att driva kommersiella möjligheter för den nya färgbeläggningstekniken och välkomnar kontakt från intresserade parter.

Katter, som avslutar sin årslånga postdoktorala forskartjänst vid SEAS denna månad, kommer att bli biträdande professor vid University of Wisconsin, Madison, i januari. Han krediterar de många timmar som spenderats i Harvards toppmoderna laboratoriefaciliteter för mycket av hans framgångar inom tillämpad fysik.

"Du lär dig så mycket medan du gör det, " säger Kats. "Du kan vara kreativ, upptäcka något längs vägen, tillämpa något nytt på din forskning. Det är fantastiskt att vi har studenter och postdoktorer här nere som gör saker."