Dans le Pierce Hall de Harvard, la surface d'une petite feuille d'or recouverte de germanium brille vivement en cramoisi. Un centimètre à droite, où le même revêtement métallique est littéralement seulement environ 20 atomes plus épais, la surface est d'un bleu foncé, presque noir. Les couleurs forment le logo de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), où les chercheurs ont démontré une nouvelle façon de personnaliser la couleur des surfaces métalliques en exploitant un phénomène optique complètement ignoré.

Pendant des siècles, on a pensé que les effets d'interférence des couches minces, tels que ceux qui font que les chaussées huileuses reflètent un arc-en-ciel de couleurs tourbillonnantes, ne pourrait pas se produire dans des matériaux opaques. Les physiciens de Harvard ont maintenant découvert que même des couches minces très "avec pertes", si atomiquement mince, peut être adapté pour refléter une gamme particulière de couleurs dramatiques et vives.

Publié dans la revue Matériaux naturels le 14 octobre, la découverte ouvre de nouvelles possibilités pour des dispositifs optiques sophistiqués, ainsi que les produits de consommation tels que les bijoux et les nouvelles techniques des arts visuels.

La découverte est la dernière sortie du laboratoire de Federico Capasso, Robert L. Wallace professeur de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS, dont le groupe de recherche a récemment produit des lentilles plates ultrafines et des faisceaux lumineux à aiguilles qui effleurent la surface des métaux. Le fil conducteur des récents travaux de Capasso est la manipulation de la lumière à l'interface de matériaux conçus à l'échelle nanométrique, un domaine appelé nanophotonique. L'étudiant diplômé et auteur principal Mikhail A. Kats a transporté ce thème dans le domaine de la couleur.

« Dans mon groupe, nous réexaminons fréquemment des phénomènes anciens, où tu penses que tout est déjà connu, " dit Capasso. " Si vous avez des yeux perspicaces, comme beaucoup de mes élèves le font, vous pouvez découvrir des choses passionnantes qui ont été négligées. Dans ce cas particulier, les ingénieurs pensaient presque que si vous utilisez des interférences, les vagues doivent rebondir plusieurs fois, le matériau a donc intérêt à être transparent. Ce que Mikhail a fait - et c'est certes simple à calculer - c'est de montrer que si vous utilisez un film absorbant la lumière comme le germanium, beaucoup plus mince que la longueur d'onde de la lumière, alors vous pouvez toujours voir de grands effets d'interférence."

Le résultat est une structure composée de seulement deux éléments, or et germanium (ou bien d'autres associations possibles), qui brille dans la couleur que l'on choisit.

"Nous connaissons tous le phénomène que vous voyez lorsqu'il y a une fine pellicule d'essence sur la route par temps humide, et tu vois toutes ces différentes couleurs, " explique Capasso.

Ces couleurs apparaissent parce que les crêtes et les creux dans les ondes lumineuses interfèrent les uns avec les autres lorsqu'ils traversent l'huile dans l'eau ci-dessous et se reflètent dans l'air. Certaines couleurs (longueurs d'onde) gagnent en luminosité (amplitude), tandis que les autres couleurs sont perdues.

C'est essentiellement le même effet que Capasso et Kats exploitent, avec les co-auteurs Romain Blanchard et Patrice Genevet. Le revêtement absorbant en germanium piège certaines couleurs de lumière tout en inversant la phase des autres afin que les crêtes et les creux des vagues s'alignent étroitement et reflètent une pure, Couleur vive.

"Au lieu d'essayer de minimiser les pertes optiques, nous les utilisons comme partie intégrante de la conception des revêtements en couches minces, " note Kats. " Dans notre conception, la réflexion et l'absorption coopèrent pour donner le maximum d'effet."

Le plus étonnant, bien que, une différence d'épaisseur de seulement quelques atomes à travers le revêtement est suffisante pour produire les changements de couleur spectaculaires. Le film de germanium est appliqué par des techniques de fabrication standard - lithographie et dépôt physique en phase vapeur, que les chercheurs comparent au pochoir et à la peinture au pistolet, donc avec une quantité minimale de matière (une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres), des motifs colorés élaborés peuvent facilement être modelés sur n'importe quelle surface, large ou petit.

"Juste en changeant l'épaisseur de ce film d'environ 15 atomes, vous pouvez changer la couleur, " dit Capasso. " C'est remarquable. "

Les chercheurs ont déjà effectué le même traitement sur l'argent, le faisant paraître doré, ainsi qu'une gamme de couleurs pastel.

L'Office of Technology Development de Harvard a déposé une demande de brevet et travaille avec le laboratoire Capasso pour poursuivre la commercialisation de cette nouvelle technologie, soit par le biais d'une start-up ou par l'octroi de licences à des entreprises existantes. Les domaines d'application explorés comprennent les produits de consommation et les dispositifs optiques, tels que les filtres, affiche, photovoltaïque, détecteurs, et modulateurs.