In de Pierce Hall van Harvard, het oppervlak van een kleine met germanium gecoate gouden plaat schittert levendig in karmozijnrood. Een centimeter naar rechts, waar dezelfde metallische coating letterlijk slechts ongeveer 20 atomen dikker is, het oppervlak is donkerblauw, bijna zwart. De kleuren vormen het logo van de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), waar onderzoekers een nieuwe manier hebben aangetoond om de kleur van metalen oppervlakken aan te passen door gebruik te maken van een volledig over het hoofd gezien optisch fenomeen.

Eeuwenlang werd gedacht dat dunnefilm-interferentie-effecten, zoals die welke ervoor zorgen dat olieachtige bestratingen een regenboog van wervelende kleuren weerkaatsen, kon niet voorkomen in ondoorzichtige materialen. Natuurkundigen van Harvard hebben nu ontdekt dat zelfs zeer "lossy" dunne films, indien atomair dun, kan worden aangepast om een ​​bepaald bereik van dramatische en levendige kleuren weer te geven.

Gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen op 14 oktober, de vondst opent nieuwe mogelijkheden voor geavanceerde optische apparaten, maar ook consumentenproducten zoals sieraden en nieuwe technieken in de beeldende kunst.

De ontdekking is de laatste die naar voren komt uit het laboratorium van Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS, wiens onderzoeksgroep het meest recent ultradunne platte lenzen en naaldlichtstralen produceerde die het oppervlak van metalen afschuimen. De rode draad in Capasso's recente werk is de manipulatie van licht op het grensvlak van materialen die op nanoschaal zijn ontwikkeld, een veld dat nanofotonica wordt genoemd. Afgestudeerd student en hoofdauteur Mikhail A. Kats bracht dat thema naar het rijk van kleur.

"In mijn groep we onderzoeken vaak oude verschijnselen opnieuw, waar je denkt dat alles al bekend is, "zegt Capasso. "Als je opmerkzame ogen hebt, zoals veel van mijn studenten doen, je kunt spannende dingen ontdekken die over het hoofd zijn gezien. In dit specifieke geval was er bijna een vooroordeel onder ingenieurs dat als je interferentie gebruikt, de golven moeten vele malen stuiteren, dus het materiaal kan maar beter transparant zijn. Wat Mikhail heeft gedaan - en het is weliswaar eenvoudig te berekenen - is aan te tonen dat als je een lichtabsorberende film zoals germanium gebruikt, veel dunner dan de golflengte van licht, dan zie je nog grote interferentie-effecten."

Het resultaat is een structuur gemaakt van slechts twee elementen, goud en germanium (of vele andere mogelijke combinaties), die schittert in welke kleur je ook kiest.

"We kennen allemaal het fenomeen dat je ziet als er op een natte dag een dun laagje benzine op de weg ligt, en je ziet al die verschillende kleuren, " legt Capasso uit.

Die kleuren verschijnen omdat de toppen en dalen in de lichtgolven met elkaar interfereren wanneer ze door de olie in het water eronder gaan en terugkaatsen in de lucht. Sommige kleuren (golflengten) krijgen een boost in helderheid (amplitude), terwijl andere kleuren verloren gaan.

Dat is in wezen hetzelfde effect dat Capasso en Kats uitbuiten, met coauteurs Romain Blanchard en Patrice Genevet. De absorberende germaniumcoating vangt bepaalde kleuren licht op terwijl de fase van andere wordt omgedraaid, zodat de toppen en dalen van de golven nauw op één lijn liggen en een zuivere, heldere kleur.

"In plaats van te proberen optische verliezen te minimaliseren, we gebruiken ze als een integraal onderdeel van het ontwerp van dunnefilmcoatings, " merkt Kats op. "In ons ontwerp, reflectie en absorptie werken samen om het maximale effect te geven."

Het meest verbazingwekkend, Hoewel, een verschil van slechts enkele atomen dikte over de coating is voldoende om de dramatische kleurverschuivingen te produceren. De germaniumfilm wordt aangebracht via standaard productietechnieken:lithografie en fysieke dampafzetting, die de onderzoekers vergelijken met sjabloneren en spuiten - dus met slechts een minimale hoeveelheid materiaal (een dikte tussen 5 en 20 nanometer), uitgebreide gekleurde ontwerpen kunnen gemakkelijk op elk oppervlak worden gemodelleerd, groot of klein.

"Alleen door de dikte van die film met ongeveer 15 atomen te veranderen, u kunt de kleur veranderen, "zegt Capasso. "Het is opmerkelijk."

De onderzoekers hebben dezelfde behandeling al uitgevoerd op zilver, waardoor het goud lijkt, evenals een reeks pastelkleuren.

Harvard's Office of Technology Development heeft een octrooiaanvraag ingediend en werkt samen met het Capasso-lab om de commercialisering van deze nieuwe technologie voort te zetten, hetzij via een startend bedrijf of door middel van licenties aan bestaande bedrijven. Toepassingsgebieden die worden onderzocht, zijn onder meer consumentenproducten en optische apparaten, zoals filters, toont, fotovoltaïsche, detectoren, en modulatoren.