Faits marquants

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Effets de directivité de la diffraction par un dimère composé de particules de haut indice de réfraction

Article en "open access" à consulter à l’adresse suivante : https://www.nature.com/articles/s41598-018-26359-8.

Les faibles pertes et les effets de directivité de la diffraction par des particules diélectriques d’indice de réfraction élevé les rendent intéressantes pour les applications dans lesquelles on veut contrôler la direction du rayonnement. Par exemple, des particules ou des agrégats (dimères) de particules diélectriques d’indice de réfraction élevé ont été proposés pour la réalisation de dispositifs de commutation opérationnels. L’utilisation de particules diélectriques d’indice de réfraction élevé a également été explorée pour optimiser la performance des cellules solaires. Nous présentons ici des preuves expérimentales, dans le domaine des micro-ondes, qu’un dimère diélectrique composé de particules sphériques est plus efficace pour réorienter le rayonnement incident vers l’avant qu’une seule particule. En fait, nous mettons en évidence deux régions spectrales (dans la région spectrale dipolaire) où l’intensité est surtout diffusée vers l’avant. Cette région spectrale correspond à la condition de Zero-Backward (également observée pour les particules isolées) et à une nouvelle condition, dénommée condition de "near Zero-Backward", qui survient suite à des effets d’interaction entre les particules. La configuration proposée peut être mise à profit dans des dispositifs de captage de l’énergie solaire ou pour du guidage de rayonnement.


Deux particules pour envoyer l’énergie vers l’avant alors qu’une seule agirait comme un réflecteur


Une nouvelle machine de dépôt par évaporation assistée par plasma au sein de la Plateforme Espace Photonique

Dans le cadre d’un financement de la ville de Marseille, l’équipe Couches Minces Optiques de l’Institut Fresnel vient d’installer, au sein de la plateforme technologie AMU de l’Espace Photonique, une nouvelle machine de dépôt par évaporation assistée par plasma (Bühler SYRUSpro 710). Cette machine vient compléter le parc de machine de pointes déjà existant (e.g. Bühler HELIOS et Bühler SYRUSpro 710) et permettra de diversifier la champ d’applications des composants à base de couches minces optiques. Cette machine sera dédiée au dépôt de couches minces de matériaux transparents dans l’infrarouge et au développement de couches à base de matériaux non conventionnels tels que des matériaux à changement de phase (e.g. chalcogénures). Elle nous permettra notamment de développer des antireflets large-bande [1.5-15] µm (projet R&T CNES), des composants structurés en volume (thèse DGA) ou des métasurfaces optiques (thèse CIFRE Multiwave).

Contact RCMO Team : Julien Lumeau

Contact Ville de Marseille : Christophe VOLPE, Chef de projet Immobilier d’Entreprises et Enseignement Supérieur Recherche - www.marseille.fr


Succès du programme de maturation entre l’Institut Fresnel et Multiwave Innovation

La SATT Sud-Est vient de concéder une licence à la SAS Multiwave Innovation portant sur le développement et l’utilisation d’antennes à base de métamatériaux pour l’IRM clinique très haut champ (7 Tesla).

La réussite du programme de maturation et l’exploitation de la licence exclusive d’un brevet, copropriété du CNRS, d’Aix-Marseille Université, de l’École Centrale Marseille et du Commissariat à l’Énergie Atomique, à la SAS Multiwave Innovation, filiale française du groupe Suisse Multiwave Technologies AG a été possible avec la collaboration de la SATT Sud-Est.

Multiwave Innovation, dont les bureaux se trouvent sur le Technopole de Chateau-Gombert à Marseille, est la première (et seule) entreprise à concevoir et commercialiser des antennes IRM en France. La licence concédée porte sur l’utilisation d’antennes radiofréquences à base de métamatériaux pour l’IRM clinique très Ultra Haut Champ (7 Tesla).

L’objectif des chercheurs de notre laboratoire, UMR7249 et de l’Institut d’Imagerie Biomédicale (CEA) est de développer de nouvelles antennes pour les IRM à Ultra Haut Champ (donc supérieurs à 3 tesla) afin d’améliorer significativement les résolutions spatiales et temporelles des images.

L’objectif de cette collaboration est de fabriquer un prototype d’antenne émettrice selon les normes IRM Clinique. Cette nouvelle approche ouvre la voie à un diagnostic in vivo plus précis tel que la détection de pathologies, comme la maladie de Parkinson par exemple. Ces nouvelles antennes permettront de pondérer et d’équilibrer les champs radio fréquences, tout en diminuant le taux d’absorption spécifique global, dans le cerveau d’un patient.

Pour plus d’information, voir le communiqué de presse :

Communiqué de Presse SATT Sud-Est

Ce projet a été soutenu par l’Institut Carnot STAR et France Life Imaging (FLI).


Un modèle inédit pour des illusions infrarouges

Afin de modifier et de camoufler la signature infrarouge d’un objet, son rayonnement thermique doit être contrôlé. Or ses propriétés intrinsèques compliquent la manœuvre. Des chercheurs de l’Institut Fresnel, du LMGC, du laboratoire EM2C, de l’IEMN et du LIMMS proposent un modèle où des capes en métamatériaux lèveraient cet obstacle. Ces travaux sont publiés dans la revue Optics Express.

Tout corps qui n’est pas gelé au zéro absolu émet un rayonnement thermique, dont la signature spectrale dépend de la température. Cette propriété naturelle d’émission de rayonnement par la matière est, par exemple, utilisée par les systèmes de vision nocturne qui analysent les signatures infrarouges. Si son observation ne pose pas de difficulté, ce rayonnement thermique est soumis à d’importants processus de fluctuation et de dissipation qui complexifient grandement son contrôle. Des chercheurs de l’Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille), du Laboratoire de mécanique et génie civil (LMGC, CNRS/Université de Montpellier2), du laboratoire d’Énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (EM2C, CNRS/CentraleSupélec/Université Paris-Saclay) de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université Lille 1/ISEN/UVHC/École Centrale de Lille) et du Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems (LIMMS, CNRS/Université de Tokyo) ont cependant montré qu’il était théoriquement possible de le modifier à volonté.

Leur modèle utilise une cape en métamatériaux, dont la structuration en volume permet de contrôler le rayonnement thermique. Ces travaux visent en particulier à créer des illusions thermiques, c’est-à-dire à faire en sorte qu’un objet donné reproduise à l’identique la signature infrarouge d’un autre objet, en termes de direction, fréquence et polarisation... Par des analyses théoriques, les chercheurs ont réussi à déterminer les propriétés d’anisotropie et d’hétérogénéité de la cape, soulignant ainsi un problème de fabrication à relever pour les métamatériaux. Ces travaux pourraient trouver à terme des applications dans le camouflage, ainsi que dans tous les domaines où l’on souhaiterait contrôler finement les chemins de propagation pris par le rayonnement thermique.


© Institut Fresnel, IEMN, EM2C, LMGC
Figure 1 : Diagramme de rayonnement thermique par un disque central recouvert d’une cape (à gauche) permettant de reproduire le diagramme d’une ellipse horizontale (à droite). Les deux diagrammes sont identiques au-delà du cercle noir qui est la frontière de la cape. Le mimétisme obtenu est indépendant de la polarisation et de la longueur d’onde.

Références  :
Transformational fluctuation electrodynamics : application to thermal radiation illusion
A. Alwakil, M. Zerrad, M. Bellieud, D. Veynante, F. Enguehard, N. Rolland, S. Volz, and C. Amra
Optics Express (juillet 2017)
DOI:10.1364/OE.25.017343

Principal intervenant :
Ahmed Alwakil, doctorant
ahmed.alwakil chez fresnel.fr

Contact chercheur :
Claude Amra – Institut Fresnel
claude.amra chez fresnel.fr

Contact communication INSIS :
insis.communication chez cnrs.fr


Chez les organismes vivants, les processus de biominéralisation régulent la croissance des tissus minéralisés, tels que les dents, les os, les coquilles… Les perspectives fascinantes qu’ouvrent leurs compréhensions en sciences des matériaux, paléoclimatologie et sciences de l’environnement attirent nombre de chercheurs. L’exemple du carbonate de calcium en est l’un des plus frappants : alors qu’il est évident que les théories issues de la cristallisation classique ne peuvent expliquer la formation des structures biominérales calcaires extrêmement complexes, telles que celles observées chez l’oursin ou l’huitre perlière par exemple, la formation de ce constituant majeur de la croute terrestre est encore largement incomprise.
L’étude, menée par une équipe interdisciplinaire française et publiée dans la revue Nature Materials, exploite une nouvelle microscopie en rayons X permettant de révéler les spécificités structurales du biominéral. Elle conduit à l’identification de modèles probables de biominéralisation.

Figure : Image tridimensionnelle des propriétés cristallines d’un prisme cristallin constituant la coquille d’une huitre perlière. (A) L’huitre perlière et (B) sa structure prismatique en bord de coquille. (C) La zone sondée (en jaune) à l’intérieur d’un prisme. Mise en évidence de domaines de rotations (D) et déformations (E) à l’intérieur du biominéral « mono-cristallin », Adaptée de F. Mastropietro et al., Nature Materials (2017).

L’approche développée par cette équipe est motivée par une contradiction apparente : tandis que les espèces vivantes capables de cristalliser le carbonate de calcium produisent une remarquable diversité architecturale aux échelles macro et micrométriques, au contraire, à l’échelle sub-micrométrique, la structure biominérale se caractérise par l’observation constante d’une structure granulaire et cristalline. Par conséquent, une description des caractéristiques cristallines à cette échelle « mésométrique », c’est-à-dire, à l’échelle de quelques granules (50-500 nm), est la clé pour construire des scénarios réalistes de biominéralisation. C’est également une difficulté majeure pour la microscopie, puisqu’aucune des approches expérimentales actuellement utilisées (électroniques, X ou visibles) n’est capable d’y accéder.

Grâce à la nouvelle approche de microscopie X en synchrotron, la ptychographie de Bragg, développée en 2011 par l’Institut Fresnel, il a été possible de révéler les détails tridimensionnels de l’organisation méso-cristalline des prismes de calcite, les unités minérales constituant la coquille de l’huître perlière. Bien que ces prismes soient habituellement décrits comme des mono-cristaux « parfaits », il a été possible de mettre en évidence l’existence de grands domaines cristallins d’iso-orientations et d’iso-déformations, légèrement différents les uns des autres. Ces résultats entièrement originaux plaident en faveur de chemins de cristallisation non classiques, comme la fusion partielle d’un ensemble de nanoparticules primaires ou l’existence de précurseurs de type liquides.

Ce résultat a été obtenu dans cadre d’un programme de recherche à 4 ans financé par l’ANR (ANR-11-BS20-0005). Il constitue le point de départ d’un projet ERC Consolidator (#724881), qui a pour objectif d’établir les conditions physiques, chimiques et biologiques nécessaires pour produire des biominéraux synthétiques à la demande.

Références : F. Mastropietro, P. Godard, M. Burghammer, C. Chevallard, J. Daillant, J. Duboisset, M. Allain, P. Guenoun, J. Nouet, V. Chamard, Revealing crystalline domains in a mollusc shell “single-crystalline” prism, Nature Materials (Numéro DOI 10.1038/nmat4937).

Lien vers l’article en téléchargement

Lien vers des communiqués de presse CNRS précédents :
- www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/cristal-ptychographie.htm
- www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/2016/12/nanostructures-cristallines.htm
- www.cnrs.fr/insis/international-europe/erc/consolidator/virginie-chamard.htm

Partenaires :
Institut Fresnel (CNRS Marseille), NIMBE (CEA-CNRS Gif-Sur-Yvette), GEOPS (Université Paris Saclay), Synchrotron Soleil (Gif-Sur-Yvette), ESRF (Grenoble).

Contacts Chercheurs :

Virginie Chamard, Equipe Comix (Institut Fresnel)
Tel 04 91 28 28 37 – virginie.chamard chez fresnel.fr

Corinne Chevallard, NIMBE (CEA-CNRS)
Tel 01 69 08 52 23 – corinne.chavallard chez cea.fr


Des chercheurs de l’équipe MOSAIC à l’Institut Fresnel ont démontré la possibilité d’imager, à une échelle de temps sub-seconde, la dynamique de l’orientation de lipides dans des membranes artificielles et cellulaires sans marquage fluorescent. Le gain en rapidité obtenu par rapport aux techniques précédentes est de l’ordre de deux ordres de grandeur, ces expériences nécessitant auparavant quelques minutes pour former une image de quelques centaines de micromètres de taille.
Figure
La méthode de microscopie optique utilisée mesure des signaux non-linéaires Cohérent Raman, par processus Cohérent Raman Stimulé (SRS) ou Diffusion Cohérent Raman Anti-Stokes (CARS) provenant des vibrations moléculaires, ici ciblant les signaux des lipides membranaires. Mathias Hofer, Naveen Kumar Balla et Sophie Brasselet ont utilisé le principe de la détection de signaux Stimulés Raman, qui module rapidement l’intensité d’un des faisceaux impliqués dans l’interaction avec les molécules, pour cette fois moduler la polarisation de ces faisceaux. Les signaux polarisés étant sensibles à l’orientation des molécules, la modulation obtenue est alors la signature d’une orientation moléculaire, ce qui permet de remonter, pour chaque pixel de l’image, à l’ordre moléculaire dans les membranes lipidiques et à leur orientation moyenne, caractéristiques de leur organisation à une échelle sub-micrométrique.

Ces signaux sont riches d’information, notamment dans les membranes lipidiques de la myéline, une structure multicouches qui entoure les axones et se trouve être fortement affectée lors de la progression de maladies neurodégénératives telles que Alzheimer ou la sclérose en plaque.
Cette technique permettrait de mesurer, en amont du détachement de la myéline des axones, les signes précoces d’une désorganisation lipidique dans les tissus. Une démonstration de principe dans des tissus fixés extraits de la moelle épinière de souris a également été publiée en collaboration Franck Debarbieux de l’INT Marseille.

Référence : M. Hofer, N.K. Balla, S. Brasselet, High speed polarization resolved Coherent Raman Scattering imaging, Optica Vol. 4, Issue 7, pp. 795-801 (2017) https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000795

Voir également : P. Gasecka, A. Jaouen, F.-Z. Bioud, H. Barbosa de Aguiar, J. Duboisset, P. Ferrand, H. Rigneault, N. Balla, F. Debarbieux, S. Brasselet, Degradation of molecular organization of myelin lipids in autoimmune demyelination probed by polarization resolved nonlinear vibrational microscopy, BioRxiV : https://doi.org/10.1101/105965

Contact : Sophie Brasselet- MOSAIC- sophie.brasselet chez fresnel.fr


Deux lauréats ERC Consolidator pour l’Institut Fresnel
L’appel ERC Consolidator Grants du Conseil européen de la recherche récompense des chercheurs d’excellence ayant entre sept à douze ans d’expérience après leur thèse. Deux chercheurs de l’Institut Fresnel viennent d’obtenir ce financement s’élevant à environ 2 millions d’euros pour une période de cinq ans.

Virginie Chamard est responsable de l’équipe COMiX. Son projet « 3D-BioMat : Deciphering biomineralization mechanisms through 3D explorations of mesoscale crystalline structure in calcareous biomaterials » propose d’avancer dans la compréhension des processus de biominéralisation grâce au développement d’une nouvelle microscopie aux rayons X, en collaboration avec l’Ifremer (Polynésie Française) et le NIMBE (CNRS/CEA, Saclay).

Site web de l’équipe : COMIX

Jérôme Wenger travaille dans l’équipe MOSAIC. Son projet intitulé « TryptoBoost : Boosting tryptophan fluorescence with optical nanoantennas to watch label-free protein dynamics with single molecule resolution at high concentration » vise à étudier les dynamiques des interactions chimiques de protéines avec de nouveaux outils de microscopie et spectroscopie optiques.

Site web du chercheur : www.jeromewenger.com


Matériaux cristallins : une imagerie à cadence accélérée

Une nouvelle microscopie aux rayons X, tridimensionnelle, quantitative et à haute résolution pour explorer les nanostructures cristallines

La compréhension de la croissance des coquillages, le contrôle des propriétés optiques des semi-conducteurs ou encore l’amélioration des performances électriques des métaux sont autant de problématiques nécessitant de connaître les propriétés fines des cristaux. Les rayons X permettent de sonder l’intérieur d’un cristal mais produire une image 3D, résolue à l’échelle nanométrique et porteuse d’une information quantitative (par exemple les déformations cristallines) reste extrêmement difficile, en raison de l’inefficacité des lentilles pour ces longueurs d’onde.
La nouvelle approche développée par une équipe franco-américaine et publiée dans la revue Nature Materials simplifie et accélère considérablement cette procédure.

Ces dernières années, une microscopie X dite sans lentille a émergé : dans cette approche, les lentilles qui sont habituellement utilisées dans un dispositif optique pour produire une image sont remplacées par des algorithmes informatiques. Jusqu’à récemment, ces méthodes impliquaient que la taille de l’échantillon soit inférieure à quelques micromètres. Ce verrou a été levé en 2011 par l’équipe de Virginie Chamard à l’Institut Fresnel en démontrant la possibilité d’étendre arbitrairement la taille de l’échantillon sans dégrader la résolution. Cette microscopie, appelée ptychographie de Bragg, restait néanmoins extrêmement difficile à généraliser, en raison du temps d’acquisition prohibitif qu’elle nécessitait et des contraintes mécaniques qu’elle imposait sur le dispositif de mesure.

Ce sont ces deux limites que des chercheurs de l’Institut Fresnel et de l’Argonne National Laboratory aux Etats-Unis viennent de lever. La nouvelle approche, appelée ptychographie de Bragg retro-projetée, est une méthode
d’imagerie tridimensionnelle hybride : deux dimensions proviennent du signal diffracté et une dimension est
obtenue à partir d’un balayage spatial. Cette microscopie marque un tournant conceptuel dans l’imagerie aux rayons X des matériaux cristallins. La diminution de la durée totale de la mesure, de l’ordre d’un facteur 100, et la simplification de la géométrie doivent permettre l’exploration, impossible jusqu’à récemment, de matériaux cristallins complexes, relevant de domaines aussi variés que les sciences du vivant ou la microélectronique.

Reference :
S. O. Hruszkewycz, M. Allain, M. V. Holt, C. E. Murray, J. R. Holt, P. H. Fuoss and V. Chamard, High-resolution three-dimensional structural microscopy by single-angle Bragg ptychography,Nature Materials 15, Décembre 2016.

Contact :
- Virginie Chamard, Institut Fresnel, Equipe Comix

- S. O. Hruszkewycz, Argonne National Laboratory, USA

Autres Liens :

- Article dans les Actualités Scientifiques de l’INSIS, 20 décembre 2016 - www.cnrs.fr/insis
- Article dans la rubrique "Relations internationales et Europe - ERC", Les Lauréats INSIS 2016 - Consolidator Grants, Virginie Chamard


A new route for looking deeper and brighter in biological tissues

Biological tissues are strongly scattering media, and as such, imaging with high resolution is still remarkably shallow. In particular, multiphoton imaging is strongly based on ballistic light (non-scattered, direction preserved). Because ballistic light intensity decreases exponentially in scattering media, it poses considerable challenges for imaging. Nevertheless, researchers recently found new ways to perform ultradeep imaging, with sub-cellular resolution, by recylcling scattered light itself. Building on these previous work, however exploiting an alternative strategy, we demonstrate record 4000-fold enhancement of nonlinear signal after scattering media, thus enabling highly contrasted nonlinear imaging of biological tissues (collagen fibers).

These remarkable results are possible because of the complex interference pattern arising from multiple scattering phenomena : the speckle. One can “reverse” the complex interference of the speckle into a deterministic shape, e.g. a bright focus. This focus is achieved by using various algorithms which are aided by a feedback mechanism. Traditionally, the feedback for nonlinear imaging is the nonlinear signal itself, which is dim and thus slow. In the new strategy proposed, we exploit the overwhelming linearly scattered light, in opposition to the traditional approach, as a feedback to achieve faster focusing capabilities.

Article :
http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.94.043830

Reference :
"Enhanced nonlinear imaging through scattering media using transmission-matrix-based wave-front shaping"
Hilton B. de Aguiar1,*, Sylvain Gigan2, and Sophie Brasselet1,†
Phys. Rev. A 94, 043830 – Published 18 October 2016

1Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel UMR 7249, 13013 Marseille, France
2Laboratoire Kastler Brossel, ENS-PSL Research University, CNRS, UPMC Sorbonne Universités, Collège de France, 24 rue Lhomond, 75005 Paris, France

Contact : h.aguiar chez phys.ens.fr - sophie.brasselet chez fresnel.fr


Optique : Filtres optiques interférentiels : vers un design et une fabrication de filtres toujours plus complexes

Les filtres interférentiels sont des composants composés de fines couches de matériaux déposées sur la surface d’un verre et permettant de contrôler la dépendance spectrale de la lumière transmise et réfléchie. La technologie a connu des avancées technologiques très importantes ces dernières années de sorte qu’il est désormais possible de synthétiser et fabriquer des composants toujours plus complexes. Des chercheurs de l’Institut Fresnel ont ainsi récemment démontré qu’il était ainsi possible de réaliser des composants ayant des profils spectraux quasi-arbitraires tels qu’un profil dont les courbes de transmission et réflexion simulent une tête d’élan.

Le domaine des filtres optiques interférentiels à base de couches minces optiques est un domaine technologique incontournable au développement des nouvelles technologies, puisque ces composants sont intégrés aussi bien sur des systèmes avancés (par exemple pour des observations satellites), que sur des systèmes grands publics (téléphonie, automobile, lunetterie, solaire, télécommunications…). Ces filtres sont obtenus par le dépôt de fines couches de divers matériaux dont les épaisseurs sont inférieures ou égales à la longueur d’onde incidente. Afin de répondre aux besoins toujours plus exigeants, c’est-à-dire le respect de plusieurs contraintes (transmission, réflexion, polarisation…), le domaine a connu d’énormes progrès au cours de ces 15-20 dernières années. Ceux-ci concernent tout d’abord les méthodes de synthèse d’empilements répondant au cahier des charges, qui permettent d’obtenir une réponse mathématique, mais également physique, aux problèmes posés, c’est-à-dire compatibles avec les méthodes de fabrication actuelles. Concernant ces dernières, la combinaison des procédés d’automatisation et de nouvelles méthodes de contrôle optique in-situ de l’épaisseur des couches en cours de dépôt permet à ce jour d’envisager un nombre presque infini de fonctions de filtrage.

Afin de répondre aux exigences toujours plus complexes des industriels et donneurs d’ordres, l’Equipe Couche Minces Optiques de l’Institut Fresnel est en charge d’une plateforme technologique dédiée aux couches minces optiques : l’Espace Photonique. Cette plateforme intègre 5 machines de dépôts hautes performances ainsi que des moyens de caractérisation performants. Cette plateforme intègre notamment une machine de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron (Bühler/Leybold Optics HELIOS), unique en France et ce depuis plus de 3 ans.

Dans le but de démontrer ses capacités en termes de synthèse et de fabrication de filtres optiques interférentiels, l’équipe Couches Minces Optiques de l’Institut Fresnel a ainsi montré qu’il lui était possible de designer et fabriquer des filtres optiques interférentiels à très grande complexité. Le composant fabriqué avait pour but de simuler, avec les courbes de dispersion spectrales en réflexion et en transmission dans le domaine [400-1100] nm une tête d’élan. Diverses difficultés étaient associées à ce problème, notamment la non unicité de la somme de la transmission et de la réflexion sur le domaine spectral, ce qui a conduit à introduire une fine couche métallique (en l’occurrence du chrome), très sensible aux erreurs de dépôt. De plus, les oscillations permettant de définir les cornes de la tête d’élan, ont également nécessité le dépôt d’un grand nombre de couches (une centaine). La combinaison parfaite de techniques de synthèse performantes et des méthodes de dépôt et de contrôle a ainsi permis de réaliser un composant permettant de reproduire assez finement la tête d’élan considérée. La déviation entre le gabarit spectral et le composant réalisé est de l’ordre de 2% en moyenne sur tout le domaine spectral. Une si faible déviation n’a été possible que par une minimisation des erreurs de couches (inférieure ou égale à 1% pour chacune des couches). Cet exemple ouvre donc la porte à la réalisation de filtres toujours plus complexes avec des profils spectraux variés.

La Figure 1 présente la tête d’élan dont le contour a été reproduit à l’aide de la mesure en transmission et en réflexion du filtre fabriqué. La Figure 2 montre le profil spectral extrait de cette image ainsi que le résultat expérimental obtenu.

Références :

T. Begou, F. Lemarchand and J. Lumeau, "Advanced optical interference filters based on metal and dielectric layers", Optics Express 24 (18), 20925–20937 (2016).
T. Begou, H. Krol, C. Hecquet, C. Bondet, J. Lumeau, C. Grezes-Besset, and M. Lequime, "Optical filters for UV to near IR space applications", Proc. of International Conference on Space Optics, paper 66488 (2014).
T. Begou, H. Krol, D. Stojcevski, F. Lemarchand, M. Lequime, C. Grezes-Besset, J. Lumeau, "Complex optical interference filter with stress compensation", Optical Systems Design 2015, Proc. SPIE 9627, paper 96270R (2015).

Contact Chercheurs : Thomas Begou, Fabien Lemarchand et Julien Lumeau, équipe RCMO de l’Institut Fresnel
thomas.begou chez fresnel.fr - fabien.lemarchand chez fresnel.fr - julien.lumeau chez fresnel.fr


Des nanoparticules d’or pour maintenir de l’eau liquide à 200 °C à pression ambiante

Image de synthèse représentant des microcristaux obtenus par voie hydrothermale sur un tapis de nanoparticules d'or agissant comme nanosources de chaleur sous illumination laser. En chimie de synthèse, les méthodes dîtes hydrothermales consistent à utiliser de l’eau liquide entre 100°C et 200°C comme solvant. Afin de maintenir l’eau à l’état liquide à de telles températures, il est nécessaire d’introduire le milieu réactionnel dans un caisson fermé et pressurisé, appelé une autoclave. Cette approche, très répandue en chimie, notamment en synthèse inorganique, reste pourtant soumise à de nombreuses contraintes, notamment à cause de l’utilisation d’un milieu réactionnel fermé.

Nos chercheurs ont démontré qu’il était possible de réaliser des réactions hydrothermales en milieu ouvert, à pression ambiante, sans ébullition jusqu’à plus de 200°C. De telles conditions expérimentales ont été atteintes à l’échelle microscopique en illuminant des nanoparticules d’or déposées sur un substrat de verre et chauffées localement sous microscope par illumination laser. L’absence d’ébullition jusqu’à 230°C et la persistance d’un état métastable de l’eau proviennent de l’absence naturelle de centres de nucléation dans les échantillons utilisés.

La réaction chimique étudiée consiste en la formation de microcristaux d’hydroxyde d’indium à partir d’une solution de chlorure d’indium à 200°C en milieu aqueux, un cas d’école en synthèse hydrothermale. Mise à part l’absence d’ébullition de l’eau à 200°C même à pression ambiante, d’autres effets singuliers ont été mis en évidence et expliqués par les chercheurs, notamment des cinétiques de réaction 1 000 à 10 000 fois plus rapides que dans des autoclaves.

Cette nouvelle technique de synthèse chimique offre plusieurs avantages. Le milieu restant ouvert, il est possible d’introduire des réactifs pendant la réaction. Il est également possible de suivre la croissance de cristaux par microscopie. Cette technique offre également un moyen de structurer spatialement une croissance inorganique par faisceau laser focalisé sur une surface, ouvrant de nouvelles perspectives en micro et nano fabrication.

Le concept a été imaginé par Guillaume Baffou, chargé de recherche et les expériences ont été menées par Hadrien Robert, doctorant.
Les échantillons de nanoparticules d’or ont été fabriqués par l’équipe de Julien Polleux du Max Planck Institute et par l’équipe de Romain Quidant à l’ICFO.


Références :
Light-Assisted Solvothermal Chemistry Using Plasmonic Nanoparticles
H. M. L. Robert, F. Kundrat, E. Bermúdez-Ureña, H. Rigneault, S. Monneret, R. Quidant, J. Polleux, and G. Baffou

ACS Omega

ACS Omega 1, 2 (juillet 2016)
DOI : 10.1021/acsomega.6b00019

Contact : Guillaume BAFFOU, Chercheur CNRS dans l’équipe MOSAIC, Médaille de bronze 2015 du CNRS


Contrôler la diffusion et l’émission de lumière avec des nanoparticules de silicium

Les nanoparticules d’une taille inférieure à la longueur d’onde peuvent rentrer en résonance avec la lumière incidente, conduisant à des renforcements très intenses de la diffusion de la lumière ainsi que de l’intensité lumineuse au voisinage des particules. Les nanoparticules métalliques ont attiré d’intenses recherches depuis une vingtaine d’années car elles sont le siège d’une résonance plasmonique de surface, résonance électromagnétique liée à l’excitation collective des électrons libres du métal. Mais les particules constituées de matériaux isolants peuvent également exciter des résonances électromagnétiques, appelées résonances morphologiques ou résonances de Mie. Des travaux théoriques menés à l’Institut Fresnel ont récemment démontré que ces résonances morphologiques pouvaient conduire à des renforcements de champs identiques à ceux produits par les plasmons de surface avec des particules métalliques [1].

Un groupe de recherche incluant 2 laboratoires marseillais (Institut Fresnel & CINAM) a dernièrement exploité ces résonances dans des particules diélectriques en silicium. Les chercheurs ont en particulier exploité les renforcements de l’intensité lumineuse entre 2 particules pour détecter des molécules fluorescentes individuelles, et exploité la diffusion résonante de la lumière pour imprimer des images colorées sans pigment sur une surface. Les molécules fluorescentes individuelles ont été observées dans un interstice de 20 nm séparant 2 particules de silicium, zone où l’intensité lumineuse est fortement augmentée. Ces antennes ont été designées numériquement à l’Institut Fresnel, puis fabriquées sur les plateformes technologiques de l’Institut Fresnel (Espace Photonique) pour le dépôt des couches minces de silicium et du CINAM (Planète, plateforme du site d’Aix-Marseille Université) pour la lithographie et la gravure des antennes dans le silicium. Le couplage de 2 particules de silicium permet de délimiter un volume de détection de fluorescence d’une centaine de zeptolitres (1 zL=10-21 L) où le nombre moyen de molécules détectées est diminué d’un facteur 3600 pour devenir inférieur à l’unité. Cette détection de molécules individuelles s’accompagne d’une augmentation de plus de 2 ordres de grandeurs du signal de fluorescence [2]. Les résonances morphologiques dans les particules de silicium ont également été utilisées pour imprimer des images colorées sans pigment. La fréquence de résonance dépendant de la taille et de la forme de la particule, une palette de couleurs structurelles a pu être reproduite en modifiant le diamètre des particules. L’intérêt de cette technique de coloration a été mis en avant en reproduisant une toile de Mondrian à l’échelle 1:1200 à l’aide de particules de silicium sur un substrat transparent (image ci-dessous à droite) [3].

Ces avancées ont été réalisées sans exciter de plasmon de surface, et en utilisant uniquement des matériaux diélectriques, en particulier du silicium. Le silicium est un matériau abondant dont les propriétés semi-conductrices ont révolutionné la microélectronique. Ces résultats précurseurs dans le domaine de la nanophotonique constituent un pas important pour rapprocher les résonateurs photoniques des composants opto-électroniques basés sur la technologie silicium.

Figure : En haut : Plateforme de détection moléculaire constituée de 2 particules de Si séparées par un interstice de 20 nm permettant d’exalter et de détecter le signal de fluorescence de molécules individuelles. En bas : Toile de Mondrian reproduite à l’aide de particules de Si. La coloration de ces particules résulte de l’interaction résonante avec la lumière. La couleur est contrôlée par la morphologie des particules

Références :
[1] « Plasmonics » with dielectrics, Optics & Photonics News, February 2016.
[2] Nano Lett. 16, 5143–5151 (2016). Doi : 10.1021/acs.nanolett.6b02076
[3] ACS Nano 10, 7761–7767 (2016). Doi : 10.1021/acsnano.6b03207

Contact Chercheur :
Nicolas BONOD – Institut Fresnel – Tel 04 91 28 28 35


Far-field diffraction microscopy at λ/10 resolution

Des chercheurs de l’Institut Fresnel et du LPN ont montré que, grâce à des algorithmes de reconstruction sophistiqués, un microscope optique peut avoir une résolution proche de celle des microscopes à force atomique (inférieure à 50 nm).

Article publié dans OPTICA Vol 3, N°6 du 7 juin 2016
Référence
Ting Zhang, Charankumar Godavarthi, Patrick Chaumet, Guillaume Maire, Hugues Giovannini, Anne Talneau, Marc Allain, Kamal Belkebir and Anne Sentenac
"Far-field diffraction microscopy at λ/10 resolution"

Optica - June 2016


Contact : Anne Sentenac, Chercheur CNRS dans l’équipe SEMO - Tél : 04 91 28 27 90


Identifier les bonnes vibrations des molécules

Des chercheurs de l’Institut Fresnel à Marseille ont mis au point une technique d’imagerie permettant de déterminer directement l’organisation des molécules dans la matière, et ainsi de révéler sa structure à l’échelle moléculaire. Le signal mesuré est non seulement sensible à la présence de la molécule mais également spécifique à la façon dont elle vibre, fournissant des informations structurelles jusque-là inexploitées.

Dans un article publié le 18 mai 2016 dans la revue Nature Communications, ils décrivent comment façonner la polarisation des champs électromagnétiques pour stimuler spécifiquement certains modes de vibration moléculaires. Cette méthode repose sur le processus non linéaire Raman cohérent CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) et sur les concepts de théorie des groupes. Très simple à mettre en œuvre, cette avancée technique est un pas supplémentaire dans la microscopie sans marquage. Elle offre de nouvelles perspectives en biologie, pour le diagnostic biomédical, domaines où le microscope optique est un instrument incontournable.

Figure : Imagerie des liaisons carbone-carbone de la myéline dans une coupe latérale de moelle épinière.
Les structures circulaires correspondent aux gaines de myéline entourant les dendrites. La brillance de l’image correspond à la densité de liaisons carbone-carbone, l’échelle de couleur correspond à l’organisation des liaisons : en rouge les liaisons vibrant de manière isotrope, en bleu les liaisons vibrant de manière uni-directionnelle.
Cette image est obtenue en une seule acquisition, sans marqueur fluorescent, et permet ainsi d’apporter une information structurelle sur l’organisation des molécules de l’échantillon (image de 30 × 30 µm).

Référence
Carsten Cleff, Alicja Gasecka, Patrick Ferrand, Hervé Rigneault, Sophie Brasselet et Julien Duboisset
Direct imaging of molecular symmetry by coherent anti-Stokes Raman scattering
Nature Communications 7, Article number 11562 (18 mai 2016)

Contact : Julien Duboisset, Maître de conférences à l’université Aix Marseille - Tél : 04 91 28 80 49


Première mondiale pour mesurer la transmission spectrale de filtres interférentiels

Des chercheurs de l’Institut Fresnel sont parvenus à développer un nouvel instrument ultra-sensible pour la mesure de la transmission spectrale de ces filtres optiques interférentiels.

Reference : M. Lequime, S Liukaityte, M. Zerrad, C. Amra, “Ultra-wide-range measurements of thin-film filter optical density over the visible and near-infrared spectrum,” Opt. Express 23, 26863-26878 (2015).
Selected by Advanced in Enginnering as a Key Scientific Article

Voir aussi l’article sur le site web de NKT Photonics, réalisé suite à cette première mondiale en terme de métrologie optique réalisée sur l’instrument SALSA

Voir tous les détails sur le site internet de l’INSIS (CNRS)

Contact : Michel Lequime et Myriam Zerrad


"Three dimensional nanometer localization of nanoparticles to enhance super-resolution microscopy" Nature Communications du 27 juillet 2015


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