Nella Pierce Hall di Harvard, la superficie di una piccola lamina d'oro rivestita di germanio brilla vividamente in cremisi. Un centimetro a destra, dove lo stesso rivestimento metallico è letteralmente solo di circa 20 atomi più spesso, la superficie è di un blu scuro, quasi nero. I colori formano il logo della Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), dove i ricercatori hanno dimostrato un nuovo modo di personalizzare il colore delle superfici metalliche sfruttando un fenomeno ottico completamente trascurato.

Per secoli si è pensato che gli effetti di interferenza del film sottile, come quelli che fanno sì che i marciapiedi oleosi riflettano un arcobaleno di colori vorticosi, non potrebbe verificarsi in materiali opachi. I fisici di Harvard hanno scoperto che anche le pellicole sottili molto "perdite", se atomicamente sottile, può essere adattato per riflettere una particolare gamma di colori drammatici e vividi.

Pubblicato sulla rivista Materiali della natura il 14 ottobre, la scoperta apre nuove possibilità per sofisticati dispositivi ottici, così come prodotti di consumo come gioielli e nuove tecniche nelle arti visive.

La scoperta è l'ultima ad emergere dal laboratorio di Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica presso SEAS, il cui gruppo di ricerca ha recentemente prodotto lenti piatte ultrasottili e fasci di luce ad ago che sfiorano la superficie dei metalli. Il filo conduttore del recente lavoro di Capasso è la manipolazione della luce all'interfaccia di materiali ingegnerizzati su nanoscala, un campo denominato nanofotonica. Il dottorando e autore principale Mikhail A. Kats ha portato questo tema nel regno del colore.

"Nel mio gruppo, spesso riesaminiamo vecchi fenomeni, dove pensi che tutto sia già noto, " dice Capasso. "Se hai occhi percettivi, come fanno molti dei miei studenti, puoi scoprire cose eccitanti che sono state trascurate. In questo caso particolare c'era quasi un pregiudizio tra gli ingegneri che se stai usando l'interferenza, le onde devono rimbalzare molte volte, quindi è meglio che il materiale sia trasparente. Quello che Mikhail ha fatto - ed è certamente semplice da calcolare - è mostrare che se usi una pellicola che assorbe la luce come il germanio, molto più sottile della lunghezza d'onda della luce, quindi puoi ancora vedere grandi effetti di interferenza."

Il risultato è una struttura composta da due soli elementi, oro e germanio (o molti altri possibili abbinamenti), che risplende in qualunque colore si scelga.

"Conosciamo tutti il ​​fenomeno che si vede quando c'è un sottile strato di benzina sulla strada in una giornata piovosa, e vedi tutti questi diversi colori, " spiega Capasso.

Questi colori appaiono perché le creste e le depressioni nelle onde luminose interferiscono tra loro mentre passano attraverso l'olio nell'acqua sottostante e si riflettono nell'aria. Alcuni colori (lunghezze d'onda) ottengono un aumento della luminosità (ampiezza), mentre gli altri colori sono persi.

Questo è essenzialmente lo stesso effetto che stanno sfruttando Capasso e Kats, con i coautori Romain Blanchard e Patrice Genevet. Il rivestimento assorbente al germanio intrappola alcuni colori della luce mentre capovolge la fase di altri in modo che le creste e gli avvallamenti delle onde si allineino da vicino e riflettano uno puro, colore vivido.

"Invece di cercare di ridurre al minimo le perdite ottiche, li usiamo come parte integrante della progettazione di rivestimenti a film sottile, " nota Kats. "Nel nostro design, riflessione e assorbimento cooperano per dare il massimo effetto."

Più sorprendentemente, anche se, una differenza di solo pochi atomi di spessore attraverso il rivestimento è sufficiente per produrre i drammatici cambiamenti di colore. Il film di germanio viene applicato attraverso tecniche di produzione standard:litografia e deposizione fisica da vapore, che i ricercatori confrontano con lo stencil e la verniciatura a spruzzo, quindi con solo una quantità minima di materiale (uno spessore compreso tra 5 e 20 nanometri), elaborati disegni colorati possono essere facilmente modellati su qualsiasi superficie, grande o piccolo.

"Semplicemente cambiando lo spessore di quel film di circa 15 atomi, puoi cambiare il colore, "dice Capasso. "È notevole."

I ricercatori hanno già eseguito lo stesso trattamento sull'argento, facendolo sembrare oro, così come una gamma di colori pastello.

L'Office of Technology Development di Harvard ha depositato una domanda di brevetto e sta collaborando con il laboratorio Capasso per perseguire la commercializzazione di questa nuova tecnologia, o attraverso una società in fase di avviamento o attraverso la concessione di licenze a società esistenti. Le aree di applicazione esplorate includono prodotti di consumo e dispositivi ottici, come filtri, mostra, fotovoltaico, rilevatori, e modulatori.