Faits marquants

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Grâce à l’imagerie hyperspectrale en champ proche optique

Percer le nano-monde des parois cellulaires végétales !

La matière végétale est une ressource naturelle, écologique et renouvelable, largement exploitée que ce soit à l’état brut comme matériau de construction, à l’état composite pour l’industrie du papier, ou encore à l’état transformé dans les biocarburants et les bioplastiques. Ce biomatériau est très attractif pour ses propriétés mécaniques, chimiques, thermiques et optiques. Cependant, une préoccupation majeure dans l’industrie du bois, est de gérer sa biodégradabilité, son instabilité et sa rentabilité en développant des traitements physico-chimiques. Ces traitements induisent des modifications locales de la composition chimique des parois cellulaires végétales (PCW), affectant ainsi leurs propriétés physiques et morphologiques.

Malgré les récentes études sur ces "matériaux à des échelles proches des distributions moléculaires, de nombreuses questions restent en suspens : Comment les modifications chimiques impactent les propriétés physiques (mécaniques, hygroscopiques, thermiques, optiques) à l’échelle nanométrique ?, Comment les propriétés physiques modifiées de la PCW peuvent-elles avoir un impact positif sur l’industrie du bois ?

Nous apportons des éléments de réponse par l’utilisation de la microscopie optique en champ proche en partenariat avec l’entreprise Neaspec. En effet, si les PCW se composent de nano-blocs polymères élaborés, à la chimie complexe, leur réponse globale à la lumière est finalement codée par la diffusion optique provenant de ces nano-blocs individuels. La détection de la diffusion optique en champ proche, par l’intermédiaire d’une pointe nanométrique métallique, permet d’accéder aux propriétés structurelles, chimiques et physiques de ces nano-blocs et donc de la paroi cellulaire.

En utilisant cette technique de microscopie couplée à de la spectroscopie infrarouge, les chercheurs du CNRS et de l’ORNL ont cartographié dans le moyen infrarouge, la paroi cellulaire de peuplier avec une résolution spatiale inférieure à 20 nm. Ces travaux ont permis d’évaluer, pour la première fois, les propriétés optiques locales in situ de la PCW associées à des variabilités chimiques et structurelles locales. Ceci restait jusqu’alors non-détectable avec les techniques optiques classiques. Seules des techniques d’extraction chimique séparant les différents constituants de la paroi permettaient d’obtenir à posteriori une information sur les propriétés optiques de chaque constituant individuellement, oubliant l’impact de la structure et de l’environnement chimique.

En tant que ressource durable, le bois devient un matériau de choix non seulement pour les marchés de la construction, du papier et des biocarburants, mais aussi pour le développement de composants de bâtiments intelligents, ou pour l’ingénierie de nouveaux matériaux d’origine végétale. Cette technique de microscopie optique en champ proche va faciliter de façon unique la compréhension de la morphogenèse du bois à l’échelle de la paroi. Elle apportera, par exemple, de nombreuses informations nécessaires pour une ingénierie du bois contrôlée vers le développement de composants de pointes biodégradables. Le contrôle de haute précision des propriétés mécaniques et optiques dans la production de bois reste une préoccupation majeure vers une utilisation plus efficace et raisonnée de ces biomatériaux qui n’ont pas fini de répondre à nos besoins.

Partenaires : Ces travaux sont issus d’une collaboration entre l’Institut Fresnel , le CINaM, l’ORNL (Oak Ridge National Lab, USA) et la société Neaspec Gmbh.

Financement : Idex Aix Marseille dans le cadre du programme Innovation & Emergence AAP2017 (projet N° : A-M-AAP-EI-17-10-170224-18.04-CHARRIER-E), CNRS - programme international de coopération scientifique PICS 2019 (A. L. LEREU) et BioEnergy Science Center de l’ORNL.

Références : “In-situ plant material hyperspectral imaging : determination of chemistry and optical properties using multimodal scattering nearfield optical microscopy”, A. Charrier, A. Normand, A. Passian, P. Schaefer and A. L. Lereu, Comm. Mat., 2, 59 (2021).

 https://www.nature.com/articles/s43246-021-00166-7

 Autre article dans Nature NPG : https://devicematerialscommunity.nature.com/posts/in-situ-plant-materials-hyperspectral-imaging-by-multimodal-scattering-near-field-optical-microscopy

Contact : Aude Lereu - Equipe RCMO


De nouveaux outils pour révéler le fonctionnement des septines humaines



Les septines constituent une famille de protéines impliquées dans diverses fonctions biologiques, de la division cellulaire à la motilité cellulaire et à la morphogenèse des tissus animaux. En physiopathologie humaine, un rôle des septines a été établi dans les neuropathies, l’infertilité et la tumorigenèse. Malgré leurs rôles essentiels, la façon dont les septines humaines s’organisent et fonctionnent dans les cellules reste mal comprise. Les septines humaines existent sous la forme d’hétéro-octamères contenant la SEPTIN9. Un grand nombre de travaux ont impliqué la SEPTIN9 dans divers cancers humains. L’amyotrophie névralgique héréditaire (HNA), une neuropathie rare, a été associée à des mutations de la SEPTIN9. La compréhension de la fonction de la SEPTIN9 nécessite donc l’étude des septines dans le contexte de leur assemblage physiologique en complexes hétéro-octamériques.

A cette fin, un travail de collaboration entre des biologistes de l’Institut Fresnel et des biophysiciens de l’Institut Curie et de la TU Delft a permis d’isoler pour la première fois des complexes hétéroctamériques recombinants de septines humaines contenant la SEPTIN9. Une combinaison d’essais biochimiques et biophysiques, de microscopie de fluorescence et de microscopie électronique a confirmé la nature octamérique des octamères isolés, et a montré que les octamères recombinants se polymérisent en filaments. Des études de reconstitution ont montré que ces octamères se lient directement à des filaments d’actine, ce qui soulève la possibilité que le cytosquelette d’actine décoré par les septines dans les cellules reflète des interactions directes actine-septine. Les études de reconstitution d’octamères recombinants contenant la SEPTIN9 avec des interacteurs physiologiques de la septine, tels que les membranes et les microtubules, promettent de fournir une approche complémentaire puissante aux études de la septine dans les modèles animaux et cellulaires.

Références
Iv, F., Silva Martins, C., Castro-Linares, G., Taveneau, C., Barbier, P., Verdier-Pinard, P., Camoin, L., Audebert, S., Tsai, F.-C., Ramond, L., Llewellyn, A., Belhabib, M., Nakazawa, K., Di Cicco, A., Vincentelli, R., Wenger, J., Cabantous, S., Koenderink, G.H., Bertin, A., and Manos Mavrakis (2021) Insights into animal septins using recombinant human septin octamers with distinct SEPT9 isoforms. Journal of Cell Science
https://doi.org/10.1242/jcs.258484

Partenaires : Cette recherche est le fruit d’une collaboration entre l’Institut Fresnel, l’Institut Curie, la TU Delft, le Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (CRCT), le Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille (CRCM), l’Institut de Neurophysiopathologie (INP), Architecture et Fonction des Macromolécules Biologiques (AFMB) et l’Université Monash.

Financements : Cette recherche a reçu un financement de l’Agence Nationale de la Recherche (subvention ANR-17-CE13-0014 ; SEPTIMORF), de la Fondation ARC pour la recherche sur le cancer (subvention PJA 20151203182), de la Fondation pour la Recherche Médicale (subvention FRM ING20150531962) et du Cancéropôle PACA et INCa. Ce projet a reçu un financement du Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (convention de subvention n° 723241). Ce travail a également été soutenu financièrement par l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO/OCW) par le biais d’une subvention VIDI (numéro de projet : 680-47-233) et de la subvention Gravitation ’BaSyC-Building a Synthetic Cell’ (024.003.019), ainsi que par deux subventions PHC Van Gogh (n° 25005UA et n° 28879SJ, Ministère des Affaires Étrangères et Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche).

Contact : Manos Mavrakis, équipe MOSAIC


Cape thermique active et mimétisme



Un groupe international de mathématiciens appliqués et physiciens a trouvé un moyen de soustraire la présence d’un objet à des mesures thermiques. La nouveauté de leur approche repose sur le fait qu’ils utilisent des pompes à chaleur actives plutôt que des matériaux complexes passifs pour effacer la signature thermique d’un objet dans des régimes transitoires. Ces pompes permettent également de tromper un observateur en imitant la réponse thermique d’autres objets, d’où le terme mimétisme. Elles sont disposées sur une surface appelée cape thermique active qui entoure l’objet à dissimuler et sur laquelle on mesure la température et le flux thermique.

Un réfrigérateur est un exemple de la vie courante d’une pompe à chaleur : pour refroidir les aliments, la chaleur est transférée de l’intérieur à l’extérieur. Utiliser de telles pompes à chaleur est une alternative simple à l’emploi de métamatériaux aux propriétés thermiques complexes.
La méthode repose sur un modèle mathématique rigoureux, mais elle présente aussi l’avantage d’être réalisable en pratique puisque des pompes à chaleur à effet Peltier existent déjà dans le domaine de l’ingénierie. Les chercheurs estiment que leur méthode pourrait être utilisée pour un contrôle ciblé et quasi instantané de l’évolution de la température dans un milieu. Un autre atout de leur modèle mathématique est qu’il s’applique à tout phénomène diffusif. Une des applications potentielles de ces recherches est dans l’administration ciblée de médicaments dans des tissus biologiques.

Références
Active thermal cloaking and mimicking, Maxence Cassier, Trent DeGiovanni, Sébastien Guenneau and Fernando Guevara Vasquez, Proceedings of the Royal Society of London. Series A.
- https://doi.org/10.1098/rspa.2020.0941

Mots clés : Équation de la chaleur, Cloaking actif, Théorie du Potentiel, Identités de Green

Contacts : Maxence CASSIER, équipe EPSILON

Financements : National Science Foundation DMS-2008610

A lire également :
 Article sur le site internet de l’Imperial College : https://www.imperial.ac.uk/news/221394/invisibility-cloaks-climate-dashboard-news-from/

 Article sur le site internet de l’Université de l’Utah : https://attheu.utah.edu/uncategorized/thermal-cloak/

 https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210511201136.htm
 https://scitechdaily.com/how-to-cloak-an-object-to-become-invisible-to-a-thermal-camera/
 https://phys.org/news/2021-05-thermally-cloak.html


Transformer un miroir en absorbant optique


Reconfigurable Flat Optics with Programmable Reflection Amplitude Using Lithography-Free Phase-Change Material Ultra-Thin Films

Résumé
Des équipes de recherche de l’INL, du CRHEA, de ST-Microelectronics et de l’Institut Fresnel ont récemment conçu un dispositif optique réfléchissant (R=80%) pouvant se transformer de manière réversible en un dispositif très absorbant (A 99,9995%) réduisant ainsi sa réflectivité d’un facteur 10 000. Le dispositif proposé inclut une couche mince de matériau à changement de phase (GeSbTe). Il ne requiert pas de lithographie et peut dès à présent être fabriqué à grande échelle et être implémenté dans des composants optiques de grandes dimensions aux propriétés optiques versatiles et reconfigurables.

 https://doi.org/10.1002/adom.202001291

Références :
Reconfigurable Flat Optics with Programmable Reflection Amplitude Using Lithography-Free Phase-Change Materials Ultra-Thin Films., S. Cueff, A. Taute, A. Bourgade, J. Lumeau, S. Monfray, Q. Song, P. Genevet, B. Devif, X. Letartre and L. Berguiga, in Advanced Optical Materials 2001291 (2020)

 Retrouvez également l’article consacré à ces travaux sur le site du CNRS - INSIS


Caractérisation ultrarésolue de la fonction de Green complexe en nanophotonique



Des mesures ultra-précises pour optimiser les structures photoniques

La fonction de Green joue un rôle central dans la propagation des ondes, car elle décrit la réponse d’un système à une impulsion arbitraire. Cependant, la mesurer expérimentalement est très difficile car il s’agit d’une quantité complexe qui doit être mesurée avec une résolution spatiale nettement sous-longueur d’onde. Ces exigences ont considérablement limité les tentatives expérimentales de mesure de la fonction de Green jusqu’à présent.

Dans le cadre de l’IRP ALPhFA, des chercheurs de notre laboratoire et de l’Institute for Photonics and Optical Sciences (IPOS) de l’Université de Sydney ont mis au point une méthode expérimentale pour mesurer et caractériser pleinement la fonction de Green en enregistrant l’impédance mutuelle entre deux dipôles à des fréquences micro-ondes. L’efficacité de cette approche est démontrée en effectuant ces mesures à l’intérieur d’une cavité planaire résonnante de miroirs parallèles ou non parallèles, à une résolution cent fois inférieure à la longueur d’onde.
Les résultats obtenus sont conformes aux prédictions théoriques, ce qui confirme la validité de cette approche.

Pour en savoir plus sur ces travaux de recherche, consultez l’article disponible ici :
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021004

Références
 Complete electromagnetic dyadic Green function characterization in a complex environment – resonant dipole-dipole interaction and cooperative effects ; K. Rustomji, M. Dubois, P. Jomin, S. Enoch, J. Wenger, C. Martijn de Sterke and R. Abdeddaim in Physical Review X, Vol 11 Issue 2

Contacts : Redha Abdedaïm, Stefan Enoch ou Jérôme Wenger

Financements : Ces travaux ont reçu des financements du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union Européenne dans le cadre de la convention n°736937, de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) - subvention ANR-17-CE09-0026-01 et de l’Initiative d’Excellence d’Aix-Marseille Université - A*MIDEX, programme français « Investissements d’Avenir ».

A lire également :
 Article sur le site internet de l’INSIS


Researchers Develop Laser-Based Process to 3D Print Detailed Glass Objects

Multiphoton polymerization approach might one day be used to print complex optics

Nous introduisons un nouveau procédé laser reposant sur la polymérisation multiphotonique pour produire des pièces en verre 3D complexes. Un faisceau laser focalisé et intense est utilisé pour polymériser une résine transparente, chargée en nanoparticules de silice, à la longueur d’onde du faisceau laser par des processus d’absorption non linéaires. L’objet est créé directement dans le volume, surmontant la limitation du processus couche par couche usuellement utilisé en impression 3D. Le procédé permet la production de pièces en silice avec des processus de déliantage et de frittage de l’objet polymérisé. Des objets 3D de dimensions centimétriques sont obtenus avec la densité de la silice massive et une résolution qui dépend de la taille du spot laser.

https://doi.org/10.1364/OL.414848

Référence Publication : "3D printing of silica glass through a multiphoton polymerization process", Thomas Doualle, Jean-Claude André and Laurent Gallais in Optics Letters Vol. 46, Issue 2, pp. 364-367 (2021)

Image Name : 3D printing a complex part

Legénde : Researchers have developed a new laser-based process for 3D printing intricate parts made of glass. It uses multiphoton polymerization to create the object directly in a 3D volume.

Contact et Crédit photo : Laurent Gallais, Institut Fresnel & Ecole Centrale Marseille

 Communiqué de Presse de l’OSA du 12 Janvier 2021 : https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2021/researchers_develop_laser-based_process_to_3d_prin/

Autres articles concernant ces travaux de recherche :

 Article dans OPN review, "A Laser-Based Process to 3D Print Glass", 29 Janvier 2021 : https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2021/january/a_new_laser-based_process_to_3d_print_glass/
 Article dans The Engineer "Multiphoton polymerisation creates 3D printed glass objects", 13 Janvier 2021 : https://www.theengineer.co.uk/multiphoton-polymerisation-3d-printed-glass/
 Article dans The American Ceramic Society, "Laser-based process allows direct creation of 3D glass structures", 26 Janvier 2021 : https://ceramics.org/ceramic-tech-today/materials-innovations/laser-based-process-allows-direct-creation-of-3d-glass-structures
 Article de la SATT-Sud Est "De la sculpture Optique pour révolutionner l’impression 3D", Janvier 2021


La réalité cérébrale des symptômes du COVID long révélée en imagerie TEP métabolique

Dans le contexte de l’épidémie mondiale de COVID19, certains patients présentent des plaintes fonctionnelles persistantes après guérison pourtant apparente de l’infection aiguë.
Ce « COVID long » peut notamment être associé à de la fatigue, de l’essoufflement, des troubles de la cognition (attention, mémoire, concentration), des troubles du sommeil, des douleurs et des troubles de l’odorat et du goût (anosmie, agueusie).

L’équipe IMOTHEP de l’Institut Fresnel vient de publier dans l’European Journal of Nuclear Medicine & Molecular Imaging, en collaboration avec l’IHU Méditerranée Infection, une étude du métabolisme cérébral en TEP au 18F-FDG portant sur 35 patients avec un diagnostic biologiquement confirmé d’infection COVID19 et des plaintes fonctionnelles persistantes au moins 3 semaines après l’épisode initiale (3 mois en moyenne, et jusqu’à 5 mois), en comparaison de 44 sujets sains non infectés. Cet examen permet de mesurer la consommation cérébrale de glucose qui constitue un marqueur du fonctionnement cérébral global. Ce travail fait suite à un premier article publié dans le même journal en juillet 2020 par l’équipe IMOTHEP. L’analyse réalisée voxel-à-voxel sur cerveau-entier identifie un hypométabolisme touchant le bulbe olfactif et les régions connectées du système limbique vers le tronc cérébral et le cervelet, avec une classification correcte de tous les sujets sur la base de ce biomarqueur de neuro-imagerie fonctionnelle. Ces régions sont notamment impliquées dans l’olfaction, la mémoire, la régulation des émotions, et les fonctions non soumises au contrôle volontaire (système nerveux autonome). La sévérité de cet hypométabolisme cérébral était corrélée au nombre de troubles persistants, et associée aux différents symptômes étudiés. Ces formes persistantes étaient par ailleurs plutôt associées à un âge jeune, sans lien avec la gravité initiale de l’infection. Une faible représentation de patients tabagiques étaient également notée dans l’étude. De façon plus préliminaire, l’hypométabolisme du bulbe olfactif semblait être rattaché aux récepteurs ACE, avec un meilleur métabolisme chez les patients initialement traités par spray décongestionnant, suggérant un possible rôle de ces récepteurs comme passerelle olfactive du neurotropisme (du nez et de la sphère ORL vers le cerveau).

Figure : Hypométabolisme cérébral retrouvé en TEP au 18F-FDG chez les patients présentant un COVID long. En comparaison de sujets sains sans antécédents d’infection au COVID19, les patients avec un COVID long présentaient un hypométabolisme du bulbe olfactif et des régions limbiques connectées, jusque vers le tronc cérébral et le cervelet.

Ces résultats montrent la réalité cérébrale des symptômes du Covid long, et valident le ressenti des patients. En perspectives, ces travaux pourraient suggérer de nouvelles études pour démontrer l’intérêt du traitement précoce de l’infection et l’inflammation de la sphère ORL, afin d’éviter une possible extension secondaire du processus pathologique vers le cerveau. En l’absence de lésion structurale séquellaire démontrée à ce stade en imagerie morphologique (notamment en IRM), ces résultats pourraient également suggérer des approches de réactivation de ce réseau cérébral hypofonctionnel par des stratégies de rééducation et réadaptation sensorielle, cognitive et physique. Le suivi longitudinal de ces patients est en cours pour affirmer la réversibilité ou la persistance de ces anomalies du métabolisme cérébral à 9 mois.

Références :

  • 18F-FDG brain PET hypometabolism in patients with long COVID. Guedj E, Campion JY, Dudouet P, Kaphan E, Bregeon F, Tissot-Dupont H, Guis S, Barthelemy F, Habert P, Ceccaldi M, Million M, Raoult D, Cammilleri S, Eldin C. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2021 Jan 26:1-11. Doi : 10.1007/s00259-021-05215-4.
  • 18F-FDG brain PET hypometabolism in post-SARS-CoV-2 infection : substrate for persistent/delayed disorders ? Guedj E, Million M, Dudouet P, Tissot-Dupont H, Bregeon F, Cammilleri S, Raoult D. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2021 Feb ;48(2):592-595. Doi : 10.1007/s00259-020-04973-x.

Affiliations : Aix Marseille Univ, APHM, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel, Hôpital de la Timone, CERIMED, Service de Médecine Nucléaire, Marseille, France

Partenaires : AMU, CNRS, Centrale Marseille, APHM, IHU, Institute Marseille Imaging, Institut Fresnel, IMOTHEP team, CERIMED, Service de Médecine Nucléaire, Hôpital Timone

Mots-clés : TEP, 18F-FDG, SARS-CoV-2, Coronavirus, Covid-19, COVID long, anosmie, agueusie, fatigue, dysautonomie, douleur, dyspnée, plaintes cognitives, troubles de la mémoire, troubles de la concentration

Contact : eric.guedj@univ-amu.fr

REVUE MEDIA
 Article paru dans Le Monde du 18 février 2021 "A Marseille, des pistes thérapeutiques pour les Covid longs"
 Article "Enquête sur les mystères du Covid long" paru dans La Provence du lundi 8 février 2021
 Article "Covid-19 : vers la reconnaissance d’une forme longue chez les enfants" dans la Revue Sciences et Avenir du 13 février 2021
 Chronique Audio sur RTL le 9 février 2021 : Podcast à réécouter sur le site web de l’AP-HM, rubrique "Revue de Presse"
 Article"Covid-long : ce qui va changer pour les malades" paru dans le magazine Notre Temps du 12 février 2021
 Article "Covid long : les enfants et adolescents aussi sont touchés" sur France Info TV du 16 février 2021
 Chronique Radio sur France Info dans le 5h/7h du 16 février 2021 (Le billet Sciences) : Podcast à réécouter sur le site web de l’AP-HM, rubrique "Revue de Presse"
 Reportages TV puis Interview de Brigitte Milhau sur le COVID long sur le 6/9 de CNews le 17 février 2021 - Replay à 02:10:30 à 2:15:04
 Reportage TV sur France 3 Région dans le 12/13 du 17 février 2021


Première fabrication d’une fibre optique microstructurée en verre issue d’une préforme obtenue par impression 3D


Depuis la fabrication des premières fibres optiques microstructurées par Kaiser, Marcatili, et Miller in 1973, plusieurs techniques de fabrication de ces nouvelles fibres optiques ayant des sections transverses très variées ont été développées. C’est justement la grande variété possible de ces sections qui a permis le renforcement du contrôle de la propagation de la lumière dans ces nouvelles fibres. Si on se limite aux fibres en verres, on doit citer la plus connue et la plus utilisée des techniques de fabrication à savoir la méthode d’empilement et d’étirage, stack and draw and anglais, qui a permis de très nombreuses réalisations notamment à partir de verres de silice. Un autre exemple de technique est celle du moulage qui est utilisée surtout pour les verres spéciaux comme les verres de chalcogénure. Afin de permettre la fabrication de fibres avec des profils encore plus variés et donc d’obtenir un meilleur contrôle encore de la propagation de la lumière, il fallait pouvoir dépasser les limitations posées par les techniques actuellement disponibles. Pour atteindre cet objectif, une technique novatrice de fabrication par impression 3D de préforme de verres de chalcogénures a été développée. Elle a permis la fabrication d’une fibre optique microstructurée à coeur creux spécialement conçue pour l’infrarouge via la modélisation en tenant compte des contraintes de fabrication. Cette fibre a été caractérisée dans une large bande de l’infrarouge et les fenêtres de transmission observées sont correctement reproduites via l’utilisation de la théorie de modes couplés entre 7 et 9,6 µm. La conception et les modélisations des fibres ont été réalisées à l’Institut Fresnel via l’expertise acquises dans ce domaine depuis près de vingt ans. Ces travaux ouvrent la voie à la conception de nouveaux profils de fibres optiques microstructurées notamment en vue d’applications dans le domaine des capteurs, des lasers à fibres, et plus généralement du contrôle par fibre de la lumière dans l’infrarouge.

La préforme imprimée
(a) Vue schématique du design cible conçu à l’Institut Fresnel, chargée dans le logiciel de l’imprimante 3D customisée pour les verres de chalcogénures. (b) Section de la préforme de verre de chalcogénure TAS obtenue après l’impression 3D. (c) Vue de profil de la préforme réalisée avec une règle graduée pour l’échelle.
Courtoisie de l’ISCR de l’Université de Rennes.

Figure : La préforme imprimée : (a) Vue schématique du design cible conçu à l’Institut Fresnel, chargée dans le logiciel de l’imprimante 3D customisée pour les verres de chalcogénures. (b) Section de la préforme de verre de chalcogénure TAS obtenue après l’impression 3D. (c) Vue de profil de la préforme réalisée avec une règle graduée pour l’échelle.

Référence : "Mid-infrared hollow core fiber drawn from a 3D printed chalcogenide glass preform", J. Carcreff, F. Cheviré, E. Galdo, R. Lebullenger, A. Gautier, J.-L. Adam, D. Le Coq, L. Brilland, R. Chahal, G. Renversez and J. Troles - Optical Materials Express, vol 11 (1), pp. 198—209, (2021)

https://doi.org/10.1364/OME.415090

Financement : ANR et DGA (ASTRID DGA FOM-IR-2-20)

Contact : Prof. Gilles Renversez, Équipe Athena – gilles.renversez@univ-amu.fr

 Voir aussi ce lien sur site de l’Institut de Chimie du CNRS : https://inc.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/fibres-optiques-limpression-3d-passe-aux-verres

Ces travaux ont été réalisés par l’équipe Verres et Céramiques de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (Univ. Rennes et CNRS), la société SelenOptics, et l’équipe Athena de l’Institut Fresnel (Univ. Aix-Marseille, CNRS, Centrale Marseille)


Le machine learning permet une percée dans les études sur le lieu de naissance des étoiles

Programme ORION-B pour "Outstanding Radio-Imaging of OrioN B"

La génération actuelle des récepteurs installés dans les radiotélescopes de l’IRAM (antenne de 30 mètres dans la Sierra Nevada en Espagne et interféromètre NOEMA au Plateau de Bure) fait entrer la radio-astronomie millimétrique dans l’ère du traitement massif de données. Ces récepteurs permettent de capter jusqu’à 240000 fréquences ! Par rapport à la précédente génération, la quantité de données a été multipliée d’un facteur 50 environ et le sera de nouveau avec la prochaine génération de récepteurs en cours de développement ! Cela change radicalement la manière de conduire des projets pour répondre aux défis scientifiques de l’astronomie.

Une équipe internationale conduite par Jérôme Pety, Maryvonne Gerin, et Franck Le Petit a obtenu les observations les plus complètes en ondes millimétriques du nuage Orion B. Ce programme clé de l’IRAM, nommé ORION-B (Outstanding Radio-Imaging of OrioN B), a produit 240 000 images de 1100 x 750 pixels (c’est assez de données pour faire un film de 2h15 à 24 images par seconde !).

ORION-B
© J. Pety/ORION-B Collaboration/IRAM

Le nuage Orion B, connu pour abriter les nébuleuses de la Tête de Cheval et de la Flamme, se situe juste à gauche de la ceinture du chasseur dans la constellation d’Orion. Les magnifiques couleurs des images de ces deux nébuleuses sont dues à l’illumination du gaz et des poussières interstellaires par le rayonnement ultraviolet intense des jeunes étoiles massives, situées à proximité. La présence de telles étoiles explique aussi l’intérêt que suscite cette région parmi les astronomes professionnels. Comme le nuage d’Orion est une des régions de formation d’étoiles les plus proches de nous, il est possible d’étudier en détails les mécanismes de naissance des étoiles massives, puis la manière dont elles vont complètement transformer leur lieu de naissance.

Ces nuages, où naissent les étoiles, sont des systèmes d’une grande complexité. S’y mêlent les mouvements turbulents du gaz, de nombreux processus qui relient entre elles les différentes échelles du nuage, de l’échelle nanométrique des molécules à l’échelle du nuage dans son ensemble (des dizaines d’années-lumières). Il s’y déroule aussi une évolution chimique menant progressivement à des molécules de plus en plus complexes (méthanol, glycol-aldehyde). Jérôme Pety commente : "Face à un système d’une telle complexité, soumis aux aléas de son environnement et de son histoire, une compréhension complète, causale et déterministe, n’est plus envisageable. C’est sous la forme de lois statistiques (c’est à dire qui s’appliquent en moyenne sur un grand nombre d’observations) qu’il faut chercher à comprendre l’évolution de tels nuages vers la formation de nouvelles étoiles et de leurs planètes. Le projet ORION-B dispose justement de l’énorme quantité de données nécessaires pour identifier ces lois statistiques. Son objectif est donc de construire cette nouvelle vision statistique de l’évolution du milieu interstellaire et de la formation des étoiles. Avec l’aide de statisticiens, il faut trouver comment extraire les lois de la masse des données observées. Cela passe en particulier par les algorithmes d’apprentissage machine (le moteur derrière la révolution actuelle de l’intelligence artificielle) qui s’adaptent aux données qu’on leur fournit jusqu’à en extraire les comportements réguliers.”

Les premières analyses des données ORION-B en 2017 et 2018 avaient permis de faire ressortir les liens qualitatifs entre les raies émises par les molécules du nuages (ce qu’on observe) et les conditions physiques du milieu qui les émet (quantité de matière présente, densité du gaz, quantité de rayons UV reçue par le nuage,...). Ces résultats avaient déjà été remarqués par la communauté astronomique comme l’atteste un point de vue publié dans la revue Nature (Wiseman & Sewilo, Nature, 2017, 546, p.37-39). Pour aller au-delà et obtenir des relations quantitatives entre observations et quantités physiques, l’équipe s’est associée avec quatre groupes de statisticiens en France (Grenoble, Lille, Marseille, Nantes), et c’est les premiers résultats de ces collaborations qui paraissent aujourd’hui, dans une série de trois articles.

Le premier de ces travaux s’attaque à un problème récurrent. Le constituant principal des nuages moléculaires, à savoir l’hydrogène moléculaire, est invisible aux très basses températures (-250°C) du milieu interstellaire. On ne peut donc étudier ces nuages qu’à l’aide de traceurs minoritaires comme la poussière (qui émet en infrarouge) ou d’autres molécules présentes à l’état de traces (qui émettent des ondes radio). Le traceur le plus utilisé est le monoxyde de carbone, dont la concentration moyenne est environ une molécule pour 10 000 molécules d’hydrogène. Lorsqu’il est utilisé seul, il n’offre qu’une estimation très imprécise de la quantité de gaz. L’idée de le combiner à d’autres espèces chimiques observables a souvent été explorée mais la complexité des relations physico-chimiques en jeu rend la tâche très difficile. Le chercheur bordelais Pierre Gratier a attaqué ce problème par un axe nouveau. Pierre Gratier raconte : “Nous avons montré qu’un algorithme d’apprentissage machine (les “forêts aléatoires”) pouvait repérer, révéler, et donc nous aider à comprendre la relation qui lie les différentes molécules observables à la quantité totale de gaz. Il est ainsi possible de construire un estimateur fiable et précis de la quantité d’hydrogène à partir de l’émission d’un ensemble réduit (entre 5 et 10) de traceurs différents.”

Emission du monoxyde de carbone dans le nuage Orion B
© J. Pety/ORION-B Collaboration/IRAM

Au-delà des observations, les modèles deviennent aujourd’hui aussi massifs et complexes qu’il devient impossible d’y remarquer “à l’oeil” les régularités intéressantes. Les modélisateurs travaillent inlassablement à compléter les simulations sur ordinateur, en rassemblant les uns après les autres, les nombreux processus physiques et chimiques élémentaires qui gouvernent ces nuages. Face à la complexité qui émerge en combinant toutes ces lois élémentaires, il faut explorer systématiquement toute la gamme de scénarios possibles (différentes densités et températures du nuage, des champs UV provenant d’étoiles plus ou moins proches, etc). Les modélisateurs amassent ainsi d’innombrables résultats de modèles, pour lesquelles extraire les relations entre les différents paramètres du scénario étudié et les quantités observables devient inextricable à la main. Emeric Bron, chercheur à l’observatoire de Paris, a montré comment une approche d’apprentissage machine permet de traiter de façon automatique cette immense quantité de modèles pour répondre à une énigme posée aux modélisateurs depuis trois décennies : parmi toutes les raies moléculaires qu’on peut essayer d’observer, lesquelles vont nous donner le plus d’information sur un des paramètres qui décrivent l’état réel du gaz qui émet ces raies. Emeric Bron s’est intéressé en particulier à la fraction d’électrons libres présents dans le gaz (ou fraction d’ionisation). Emeric Bron précise : “L’existence d’une faible fraction d’électrons et d’ions dans le gaz est en effet crucial pour l’évolution du milieu. D’une part, le gaz devient alors sensible à la présence du champ magnétique global du nuage, qui va pouvoir canaliser ses mouvements au cours de l’effondrement gravitationnel qui forme les étoiles. D’autre part, les ions permettent des réactions chimiques beaucoup plus rapides, grâce à une attraction électromagnétique à plus grande distance avec les autres réactifs. Ils permettent donc d’initier la chimie interstellaire jusqu’au molécules organiques complexes. Nos résultats indiquent aux observateurs quelles raies moléculaires sont sensibles à la fraction d’électrons. Cela permettra aux astronomes de comprendre quantitativement comment la chimie du milieu conduit à des molécules organiques complexes ou comment le champ magnétique contrôle l’effondrement gravitationnel pour donner des étoiles.”

Enfin, la confrontation des modèles aux données observées se heurte à un défi supplémentaire : les observations ne sont pas parfaites. Même s’il est considéré comme proche, le nuage d’Orion B reste situé à très grande distance, et l’émission radio reçue est peu intense. Lorsqu’on essaie d’interpréter ces données à l’aide de modèles physiques, le bruit qu’elles contiennent risque de brouiller les conclusions qu’on en tire. Dans une troisième étude, le statisticien marseillais Antoine Roueff quantifie précisément la manière dont les observations peuvent ou non permettre de répondre de façon fiable aux questions que les astronomes se posent, ainsi que la durée d’observation minimum (le bruit diminue lorsqu’on observe plus longtemps) pour y parvenir. Antoine Roueff indique "En appliquant cette méthode à l’observation du monoxyde de carbone, il est possible de séparer l’information physique des artefacts causés par le bruit. Cela permet de jeter un éclairage nouveau sur les résultats obtenus dans le premier article de cette série, en commençant à comprendre la physique qui explique comment des molécules minoritaires peuvent être utilisées de manière fiable pour estimer la quantité totale d’hydrogène.”

Site web du projet ORION-B : https://www.iram.fr/ pety/ORION-B

Contact à l’Institut Fresnel : Antoine ROUEFF, équipe PHYTI antoine.roueff@fresnel.fr

Contact Service de Presse : François Maginiot, Attaché de presse CNRS,
francois.maginiot@cnrs.fr

Références Bibliographiques :

  • Quantitative inference of the H2 column densities from 3mm molecular emission : A case study towards Orion B. Pierre Gratier, Jérôme Pety, Emeric Bron, Antoine Roueff, Jan H. Orkisz, Maryvonne Gerin, Victor de Souza Magalhaes, Mathilde Gaudel, Maxime Vono, Sébastien Bardeau, Jocelyn Chanussot, Pierre Chainais, Javier R. Goicoechea, Viviana V. Guzmán, Annie Hughes, Jouni Kainulainen, David Languignon, Jacques Le Bourlot, Franck Le Petit, François Levrier, Harvey Liszt, Nicolas Peretto, Evelyne Roueff, et Albrecht Sievers. A&A, le 19 novembre 2020.
  • Tracers of the ionization fraction in dense and translucent gas : I. Automated exploitation of massive astrochemical model grids. Emeric Bron, Evelyne Roueff, Maryvonne Gerin, Jérôme Pety, Pierre Gratier, Franck Le Petit, VivianaGuzman, Jan H. Orkisz, Victor de Souza Magalhaes, Mathilde Gaudel, Maxime Vono, Sébastien Bardeau, PierreChainais, Javier R.Goicoechea, Annie Hughes, Jouni Kainulainen, David Languignon, Jacques Le Bourlot,François Levrier, Harvey Liszt, Karin Öberg, Nicolas Peretto, Antoine Roueff et Albrecht Sievers. A&A, le 19 novembre 2020.
  • C18O, 13CO, and 12CO abundances and excitation temperatures in the Orion B molecular cloud : An analysis of the precision achievable when modeling spectral line within the Local Thermodynamic Equilibrium approximation. Antoine Roueff, Maryvonne Gerin, Pierre Gratier, François Levrier, Jérôme Pety, Mathilde Gaudel, Javier R.Goicoechea, Jan H. Orkisz, Victor de Souza Magalhaes, Maxime Vono, Sébastien Bardeau, Emeric Bron, Jocelyn Chanussot, Pierre Chainais, Viviana V. Guzman, Annie Hughes, Jouni Kainulainen, David Languignon, Jacques Le Bourlot, Franck Le Petit, Harvey S. Liszt, Antoine Marchal Marc-Antoine Miville-Deschênes, Nicolas Peretto, Evelyne Roueff et Albrecht Sievers. A&A, le 19 novembre 2020.

● Article "Machine learning : une percée pour l’étude des pouponnières d’étoiles" sut le site internet du CNRS France

POUR ALLER PLUS LOIN... :
● Discover the IRAM 30 meter telescope !
● Beyond the appearances : The anatomy of the Orion Jedi revealed by radio-astronomy.
● Filaments around the Horsehead Nebula are still too young to form stars.
● Zooming intothe skin of the Orion hunter


Etude d’un analogue de l’astéroïde Itokawa dans le domaine des ondes électromagnétiques micro-ondes



Les petits corps du système solaire (comètes, astéroïdes), et surtout leurs structures internes, sont encore mal connus. La connaissance de l’intérieur des comètes et des astéroïdes pourrait fournir des informations importantes sur leur processus de formation, mais aussi, sur le système solaire primitif. Dans cet article, nous avons étudié la possibilité d’obtenir ce type d’informations à partir de leur réponse à une onde électromagnétique incidente. Cette étude s’est focalisée sur un analogue de l’astéroïde 25143 Itokawa, qui est un petit astéroïde, “visité” par la mission Hayabusa de l’agence spatiale japonaise (JAXA) en 2005.

Figure 1 : Analogue de l’astéroïde Itokawa

Des mesures en chambre anéchoïque, dans la gamme des micro-ondes, ont été réalisées pour simuler en milieu contrôlé une mission spatiale embarquant un radar. Deux modélisations “full wave”, l’une dans le domaine de la fréquentiel et l’autre dans le domaine temporel, ont été appliquées pour décrire l’interaction de l’onde incidente avec cet analogue.
Les comparaisons entre les modélisations et les mesures de laboratoire permettent de distinguer la signature de la structure interne de l’analogue et démontrent l’intérêt d’une inspection radar de tels corps célestes. Les résultats montrent aussi qu’une modélisation de type « full wave », prenant en compte non seulement le premier ordre, mais aussi la diffraction multiple, est ici nécessaire.

Cette étude a été effectuée dans le cadre d’une collaboration entre des chercheurs du département Mathematics and Statistics de l’Université de Tampere (TUNI) et des chercheurs de l’Institut Fresnel.

Figure 2 : Configuration de mesures de la signature radar d’un analogue d’astéroïde

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038510

Références : C. Eyraud, L.-I. Sorsa, J.-M. Geffrin, M. Takala, G. Henry, S. Pursiainen, Full Wavefield Simulation versus Measurement of Microwave Scattering by a Complex 3D-Printed Asteroid Analogue, Astronomy & Atrophysics, in press,

 Lien vers l’article en téléchargement gratuit

Contact Chercheur : Christelle Eyraud, Équipe de recherche HIPE


Première mise en évidence des ondes non-linéaires auto-confinées au sein de structures plasmoniques



Prédites depuis plus de quarante ans par des études théoriques russes et américaines, ces ondes ont enfin été mises en évidence et étudiées. Ces ondes, dont les plasmons-solitons sont le cas particulier se propageant de manière auto-cohérente, ont connu un fort regain d’intérêt durant les deux dernières décennies avec le développement de la plasmonique. Ainsi de très nombreux travaux théoriques et numériques notamment ceux réalisées à l’Institut Fresnel les ont exploré mais ces ondes non-linéaires n’avaient jusqu’à maintenant jamais été observées expérimentalement.
Ces ondes non-linéaires de surface se propagent dans une structure plasmonique planaire où la nonlinéairité est assurée par un verre présentant à la fois une forte non-linéarité Kerr optique (plusieurs centaines de fois celle de la silice) et une faible photo-sensibilité. Les observations n’ont été rendues possible que par les remarquables caractéristiques de ce verre de chalcogénure, par la conception d’une structure optimisée par des simulations numériques préalables utilisant une nouvelle méthode de détermination des solutions non-linéaires, et par la longue expertise expérimentale acquise précédemment dans l’étude des solitons spatiaux.
Afin de rendre compte des résultats expérimentaux, une version améliorée de l’équation de Schrôdinger non-linéaire spatiale a notamment été développée afin de prendre en compte correctement les propriétés des ondes se propageant sous la partie métallique de la structure. Des comparaisons expériences/simulations ont ainsi pu être réalisées avec un accord qualitatif et quantitatif.
Cette mise en évidence de ces ondes non-linéaires auto-confinées au sein de structures plasmoniques ouvre la voie à leur utilisation dans des applications en plasmonique non-linéaire intégrée en effet de très fortes focalisations peuvent être générées sur des distances de quelques dizaines de micromètres et à des puissances raisonnables.

[https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c00906
https://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00906]

Figure : Schéma de principe de l’expérience avec un motif en or situé sur la partie supérieure de la structure planaire contenant la couche de verre hautement non-linéaire.

Référence : "Nonlinear Self-Confined Plasmonic Beams : Experimental Proof", Tintu Kuriakose, Gilles Renversez, Virginie Nazabal, Mahmoud M. R. Elsawy, Nathalie Coulon, Petr Němec, and Mathieu Chauvet, ACS Photonics (2020).

Contact : Prof. Gilles Renversez, Equipe Athena, – gilles.renversez@univ-amu.fr

Ces travaux ont été publiés dans la revue ACS Photonics.
Le projet est issu de l’institut Fresnel (Univ. Aix-Marseille, CNRS, Centrale Marseille) qui a réalisé le design des structures et leur modélisation. Leur fabrication a été assurée par l’ISCR (Univ. de Rennes I, CNRS), et l’ITER (Univ. de Rennes I, CNRS) ainsi que par l’université de Pardubice en république Tchèque. Les caractérisations optiques ont été effectuées au sein du département de photonique de l’institut FEMTO-ST (Univ. de Bourgogne Franche-Comté, CNRS).

 Article mis en ligne sur le site de l’INSIS dans la rubrique « Actualités scientifiques » : Une première mise en évidence des ondes non-linéaires autoconfinées au sein de structures plasmoniques


Cartographier des métasurfaces holographiques



Les métasurfaces sont des composants photoniques obtenus en structurant des surfaces à une échelle inférieure à la longueur d’onde de la lumière. Par leur conception « sur mesure », ces composants permettent d’envisager de nouvelles fonctions optiques inédites. En générant de façon pixellisée des propriétés de phase géométrique et/ou de contrôle de polarisation, ils pourraient notamment révolutionner la conception de systèmes d’affichage 3D ultracompacts de réalité virtuelle ou augmentée. Pour contrôler leur fabrication, il est cependant nécessaire d’en cartographier l’ensemble des propriétés optiques sur des étendues de plusieurs centaines de micromètres avec une résolution microscopique de leurs métapixels. Des physiciens du Centre de recherche sur l’Hétéro-épitaxie et ses applications – CRHEA (Univ. Côte d’Azur, CNRS) et de l’institut Fresnel (Univ. Aix-Marseille, CNRS, Centrale Marseille) viennent de franchir ce pas, en produisant des images quantitatives d’un méta-hologramme à contrôle de polarisation. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.
Leur approche exploite une nouvelle méthode d’imagerie développée à l’institut Fresnel sous le nom de ptychographie vectorielle. À partir de mesures de figures de diffraction et de leur analyse par des algorithmes de reconstruction de phase, les chercheurs ont ainsi pu reconstituer une cartographie complète des propriétés optiques d’un méta-hologramme. Ce dernier, conçu et élaboré au CRHEA, démontrait la possibilité de projeter un motif arbitraire (ici le sigle CNRS) avec des polarisations lumineuses prédéterminées.

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16437-9#Sec13

Figure : À gauche, cartographie optique du méta-hologramme (extrait), obtenue par ptychographie. À droite, fonction optique du méta-hologramme : éclairé par un faisceau laser, le composant projette le sigle CNRS, chaque lettre portant une polarisation différente.

Figure : À gauche, cartographie optique du méta-hologramme (extrait), obtenue par ptychographie. À droite, fonction optique du méta-hologramme : éclairé par un faisceau laser, le composant projette le sigle CNRS, chaque lettre portant une polarisation différente.

Référence : Q. Song, A. Baroni, R. Sawant, P. Ni, V. Brandli, S. Chenot, S. Vézian, B. Damilano, P. de Mierry, S. Khadir, P. Ferrand, and P. Genevet, Ptychography retrieval of fully polarized holograms from geometric-Phase Metasurfaces, Nature Communications (2020).

 https://doi.org/10.1038/s41467-020-16437-9

Financements : European Research Council (ERC), European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme - Grant agreements n° 724881 and n° 639109

Contact Chercheur : Patrick Ferrand – Equipe COMiX – patrick.ferrand@fresnel.fr


La tache d’Arago recrée temporellement dans une fibre optique

Bicentenaire des travaux d’Augustin Fresnel

Lorsque la lumière rencontre un obstacle sur son chemin, elle peut adopter un comportement incompatible avec les lois géométriques simples de la réflexion et de la réfraction. La théorie de la diffraction de la lumière énoncée par Augustin Fresnel constitue alors un tournant dans la compréhension fine du comportement paradoxal des ondes lumineuses. En 1819, son mémoire fondamental se voyait ainsi récompensé par le Grand Prix des sciences Mathématiques lancé par l’Académie des Sciences. Ses travaux ne firent pas immédiatement consensus et suscitèrent d’âpres débats notamment entre Siméon Poisson peu favorable à la vision de Fresnel et François Arago, physicien mais aussi futur premier ministre français. L’observation peu intuitive d’une tache brillante dans l’ombre d’un objet circulaire opaque permis de trancher définitivement en la faveur des idées avancées par Fresnel. Cette tache est restée dans l’histoire comme la tâche de Fresnel ou d’Arago.

Or la diffraction qui affecte le comportement spatial de l’onde lumineuse possède un équivalent temporel exact : la dispersion. Ainsi, lorsqu’une onde lumineuse rencontre un obstacle temporel, elle va manifester un comportement analogue à la diffraction. Nous avons pu mettre à profit cette dualité temps / espace dans plusieurs expériences réalisées dans les fibres optiques pour synthétiser des réseaux temporels à base de dispersion [1] ou encore pour réinterpréter dans le domaine temporel des phénomènes d’interférences comme ceux obtenus par Fresnel ou par Félix Billet, ancien doyen de la faculté des Sciences de Dijon [2].

Dans le cadre du bicentenaire du couronnement des travaux de Fresnel, un travail collaboratif entre l’Institut Fresnel et l’Institut interdisciplinaire Carnot de Bourgogne nous a permis de recréer, toujours grâce aux fibres optiques, l’analogue temporel de la tache d’Arago. En exploitant toutes les possibilités de caractérisations temporelles fines de la plateforme PICASSO du Laboratoire Interdisciplinaire CARNOT de Bourgogne, nous avons ainsi pu mettre en évidence l’émergence d’un pic lumineux là où initialement il n’y avait qu’obscurité [3]. Nous avons de plus souligné l’influence de la puissance lumineuse sur ces structures lumineuses.

Contact :
 Hervé RIGNEAULT, herve.rigneault@fresnel.fr
 Pr. Christophe FINOT, christophe.finot@u-bourgogne.fr

Plus d’information :
 [1] - C. Finot, H. Rigneault, Experimental observation of temporal dispersion gratings in fiber optics, Journal of the Optical Society of America B, 2017, 34 p 1511
 [2] F. Chaussard, H. Rigneault, C. Finot, Two-wave interferences space-time duality : Young slits, Fresnel biprism and Billet bilens, Optics Communications, 2017, 397, 31.
 [3] C. Finot, H. Rigneault, Arago spot formation in the time domain, Journal of Optics 21, 105504 (2019).


Des résonateurs en céramique ouvrent de nouvelles perspectives pour la microscopie par résonance magnétique

La microscopie par résonance magnétique offre la possibilité d’imager des échantillons de quelques millimètres avec une résolution sub-micrométrique. Nous avons mis au point un nouveau type de sonde en matériau céramique permettant de réaliser des images avec des résolutions deux fois supérieures à celles obtenues avec des antennes classiques.

Figure
Amélioration du RSB lors de l’imagerie d’un échantillon de houx.
A gauche, représentation schématique du champ magnétique généré par chaque sonde.
Au milieu, distribution du champ magnétique dans une coupe sagittale, estimée par simulation numérique.
A droite, image obtenue par MRM de l’échantillon de houx.
© ITMO-Institut Fresnel-Multiwave-CEA

En microscopie par résonance magnétique (MRM), un domaine qui s’intéresse à l’imagerie d’échantillons de taille typique quelques millimètres, la sonde de référence pour produire une image est le solénoïde. Alimenté par un courant électrique, celui-ci produit un champ magnétique nécessaire à l’imagerie. Ce faisant, un champ électrique est également généré dans l’échantillon biologique, généralement doté d’une conductivité électrique non nulle, ce qui induit des pertes diélectriques, et par suite constitue une source de bruit. A durée d’acquisition fixée, ce phénomène limite intrinsèquement le rapport signal à bruit (RSB), et donc la résolution atteignable.
Dans ce contexte, plusieurs travaux de recherche ont évoqué et démontré le potentiel des sondes céramiques permettant de contourner cette limite à différentes intensités de champ magnétique statique B0. Le principe de ces sondes consiste à exploiter le premier mode transverse électrique d’un résonateur diélectrique de forme annulaire, excité à l’aide d’une simple boucle de courant. Ce mode a la particularité d’offrir un champ magnétique axial, similaire à celui de la sonde de référence, associé à un champ électrique négligeable.
Les propriétés de ce résonateur sont choisies afin que le mode d’intérêt résonne à une fréquence proche de celle de Larmor à l’intensité de champ statique considérée. A 17 T, le résonateur étudié devait être constitué d’une céramique de permittivité 530, tout en assurant un faible niveau de pertes au sein du matériau afin de ne pas ajouter de bruit lors de l’acquisition. Ces contraintes - haute permittivité et faibles pertes - ont pu être nuancées grâce à l’élaboration d’un nouveau matériau céramique ferroélectrique avec inclusions de magnésium.
Un modèle semi-analytique a été mis au point afin de proposer une estimation du RSB. Ceci a permis de comparer les performances de la sonde céramique avec la bobine de solénoïde de façon paramétrique en fonction des propriétés électromagnétiques du matériau ferroélectrique et de l’échantillon. Les simulations numériques ont permis de valider cette approche dans la configuration étudiée, également mise en pratique pour l’imagerie à 17 T d’un échantillon de houx.
Les mesures expérimentales ont confirmé les prédictions des études théorique et numérique, à savoir un gain en RSB de 2 de la sonde céramique sur la bobine de solénoïde. Ceci s’explique par l’interaction entre le champ électrique et l’échantillon, limitée dans le cas de la sonde céramique par la remarquable propriété du champ électrique d’être localement faible dans cette région.
Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle approche de développement des sondes de microscopie. La possibilité d’élaborer sur mesure les céramiques ferroélectriques permettent d’envisager un design optimisé de ces sondes. Pour un échantillon de dimensions et propriétés données, il serait possible de choisir entre la bobine de solénoïde ou une sonde céramique optimisée dans le but d’atteindre une résolution d’image la plus optimale possible.

PARTENAIRES :
 CEA NEUROSPIN - Voir l’article publié sur le site internet du CEA Joliot Curie
 ITMO University

Référence : M. A.C. Moussu, L. Ciobanu, S. Kurdjumov, E. Nenasheva, B. Djemai, M. Dubois, A. Webb, S. Enoch, P. Belov, R. Abdeddaim, S. Glybovski, “Systematic Analysis of the Improvements in Magnetic Resonance Microscopy with Ferroelectric Composite Ceramics”, accepted for publication in Advanced Materials
Version of Record online : 17 May 2019

https://doi.org/10.1002/adma.201900912

 L’INSIS a également publié cette actualité scientifique dans sa lettre électronique « En direct des labos" sous le titre"Une antenne en céramique améliore la qualité des images par résonance magnétique"

Contacts :
Marine Moussu, Institut Fresnel - UMR7249, Marseille -
Luisa Ciobanu, CEA Neurospin, Gif-sur-Ivette
Stanislav Glybovski, ITMO University, Saint-Pétersbourg

SITE WEB : http://www.mcube-project.eu
TWITTER : @MCUBE19

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement n°736937


Vers une collaboration académie/industrie toujours plus efficace

Filtres passe-bande angulairement accordables : design, fabrication et caractérisation

Les filtres à base de couches minces optiques offrent une large gamme d’applications allant de l’observation de la Terre à la biophotonique. Ils sont généralement des composants peu mis en avant dans les systèmes mais essentiels dans l’amélioration des performances des instruments optiques. Dans le cadre de récents travaux collaboratifs, l’équipe de recherche en couches minces optiques (RCMO) de l’Institut Fresnel et la société Bühler ont développé un nouveau filtre angulairement accordable pour le proche infrarouge. Ce filtre, composé d’environ 300 couches au total, a été conçu et fabriqué avec succès sur une machine Bühler HELIOS (pulvérisation cathodique magnétron réactive assistée par plasma) associée à un système de contrôle optique in-situ. Un système de caractérisation sur mesure a également été développée afin d’évaluer les performances de ce filtre optique complexe. Des performances proches de celles prédites par la théorie ont été démontrées. Ces résultats mettent en évidence non seulement la possibilité de développer des filtres toujours plus complexes au sein de la plateforme de l’Espace Photonique de l’Institut Fresnel, mais illustrent également une collaboration très fructueuse entre un laboratoire académique (Institut Fresnel) et un partenaire industriel (société Bühler) pour le développement de composants optiques de plus en plus performants.

Image : Gauche - Performances spectrales en transmission mesurées et théoriques du filtre fabriqué / Droite - Illustration des filtres optiques interférentiels

Référence :
J. Lumeau, F. Lemarchand, T. Begou, D. Arhilger, and H. Hagedorn, "Angularly tunable bandpass filter : design, fabrication and characterization", Optics Letters 44(7), 1829-1832 (2019) – Editors’ Pick.

Plus d’informations sur la technologie mise en œuvre :
 sur la page dédiée à notre Espace Photonique, Plateforme Technologique d’Aix Marseille Université
 sur la page de notre partenaire BUHLER

Contact : Julien Lumeau


Cartographier le transfert d’énergie entre dipôles dans une cavité optique

Les cavités optiques permettent d’améliorer les interactions lumière-matière. Une nouvelle approche expérimentale et théorique étend l’étude aux domaines des radiofréquences avec une résolution sans précédent.


La lumière peut être piégée dans une cavité constituée de deux miroirs, concentrant ainsi l’intensité de la lumière et renforçant les interactions lumière-matière. Parmi les différentes applications de ces cavités photoniques, une grande attention a été récemment accordée à leur capacité à contrôler l’échange d’énergie entre des émetteurs quantiques tels que les atomes, les molécules et les boîtes quantiques. Cependant, les tentatives d’amélioration de ce transfert d’énergie ont été entravées par les difficultés expérimentales rencontrées pour contrôler les positions, les orientations et les spectres des émetteurs. Ici, nous caractérisons minutieusement le transfert d’énergie dipôle-dipôle à l’intérieur d’une cavité photonique et fournissons des règles de conception améliorer le rendement des applications dans les cavités optiques.

À l’échelle nanométrique, le transfert d’énergie entre deux éléments sensibles à la lumière est principalement régi par une interaction dipôle-dipôle décrite par un formalisme mathématique connu sous le nom de transfert d’énergie de résonance de Förster (FRET). Nous avons développé une méthodologie générale pour analyser le FRET dans le domaine des radiofréquences. Alors que les recherches précédentes étaient axées sur les fréquences optiques, les expériences dans le régime micro-onde nous permettent de mesurer le transfert d’énergie avec un degré élevé de contrôle sur l’orientation et la position des dipôles. Nous appliquons ensuite notre méthodologie en étudiant le transfert d’énergie entre deux antennes à l’intérieur d’une cavité photonique et nous en déduisons les conditions qui améliorent le transfert.

Cette approche inédite jette un pont entre l’électrodynamique quantique et l’ingénierie micro-onde des interactions dipôle-dipôle. Au-delà de l’intérêt conceptuel, cette méthodologie fournit un outil pratique pour caractériser quantitativement des dispositifs photoniques avec une interaction dipolaire améliorée et peut être facilement appliquée pour cartographier le transfert d’énergie à l’intérieur de systèmes photoniques complexes à très haute résolution.

Figure
Cartographie du transfert d’énergie entre dipôles dans une cavité optique

 Voir aussi l’article consacré à ces travaux à la Une du site internet de l’INSIS  :
« Une cartographie des transferts d’énergie dans les cavités optiques radiofréquences »

Cette recherche a été réalisée dans le cadre du laboratoire international associé « ALPhFA : laboratoire associé de photonique franco-australien » et a été financée par le programme Horizon 2020 de recherche et innovation de l’Union européenne, au titre du contrat n° 736937, par l’Agence nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du contrat ANR-17-CE09-0026-01 et par l’initiative d’excellence de l’Université d’Aix-Marseille - A* MIDEX du programme « Investissements d’Avenir ».

Référence :
K. Rustomji, M. Dubois, B. Kuhlmey, C. M. de Sterke, S. Enoch, R. Abdeddaim, J. Wenger, “Direct imaging of the energy transfer enhancement between two dipoles in a photonic cavity”, Physical Review X , mars 2019

Contact : Redha Abdeddaim, Stefan Enoch, Jérôme Wenger


Métamatériaux pour l’imagerie à résonance magnétique ultra-haut champ

Une équipe composée de physiciens de notre laboratoire, de l’Institut Langevin, du CEA NeuroSpin et de la société Multiwave ont récemment publié dans la prestigieuse Physics Review X leurs travaux sur les métamatériaux pour améliorer la qualité de l’imagerie à résonance magnétique ultra-haut champ.

Nous proposons une nouvelle approche qui permet d’envisager un déploiement de ces appareils de dernière génération pour des diagnostics médicaux nettement plus rapides et surtout plus précis.

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est aujourd’hui un outil incontournable pour les médecins. Depuis les années 70, la puissance des aimants utilisés n’a cessé d’augmenter afin d’améliorer le rapport signal sur bruit. Cela a permis une amélioration radicale des résolutions temporelle et spatiale ainsi qu’un meilleur contraste des tissus biologiques. Cependant, cette stratégie s’accompagne inévitablement de l’augmentation de la fréquence de travail des ondes radiofréquences (RF) utilisées pour la mesure et engendre d’importants problèmes lorsque la longueur d’onde associée devient comparable aux dimensions caractéristiques du corps humain. Le principal inconvénient demeure l’inhomogénéité du champ RF conduisant à une perte du contraste dans l’image jusqu’à l’absence de signal dans les pires cas de figure. Pour ces raisons, l’application clinique de ces appareils dit « à ultra-haut champ » est encore limitée aujourd’hui.
Le projet M-Cube apporte une réelle innovation fondée sur les métamatériaux. Il ouvre ainsi la voie pour façonner et homogénéiser le champ RF des antennes IRM. Ces nouvelles structures sont le siège de l’interaction de plusieurs modes électromagnétiques et permettent d’accéder à une diffusion extraordinaire des ondes RF : ce sont les conditions dites de « Kerker ». Ces conditions, appliquées aux champs RF en IRM, permettent de tripler localement l’amplitude du champ RF mais peuvent également être utilisées comme une protection pour réduire cette amplitude dans les zones surexposées du corps du patient.

Le FET-Open M-CUBE est un consortium européen regroupant 11 partenaires. Son but est de changer le paradigme des antennes IRM à haut champ et à très haut champ pour offrir une meilleure vision du corps humain et permettre ainsi une détection précoce des maladies. L’objectif principal du projet est d’aller au-delà des limites de l’imagerie clinique IRM et d’améliorer radicalement les résolutions spatiales et temporelles que nous connaissons actuellement.

Référence : “Kerker effect in ultrahigh-field magnetic resonance imaging” ; Marc Dubois, Lisa Leroi, Zo Raolison, Redha Abdeddaim, Tryfon Antonakakis, Julien de Rosny, Alexandre Vignaud, Pierre Sabouroux, Elodie Georget, Benoit Larrat, Gérard Tayeb, Nicolas Bonod, Alexis Amadon, Franck Mauconduit, Cyril Poupon, Denis Le Bihan, and Stefan Enoch ; Physical Review X (8), (septembre 2018)

DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031083

Laboratoires impliqués : I
 Institut Fresnel
 Institut Langevin
 CEA NeuroSpin
 Multiwave

Contact chercheurs : Redha Abdeddaim, Stefan Enoch et Marc Dubois

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet M-Cube H2020 FET-Open. Ce projet est financé par le programme Recherche et Innovation Horizon 2020 de l’Union Européenne sous l’accord de subvention No 736937.

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Des physiciens de l’INSP, en collaboration avec plusieurs laboratoires académiques français : le LPICM (Ecole Polytechnique - CNRS), l’ Institut Fresnel (Aix Marseille Univ. - Ecole Centrale - CNRS) et le LEME (Univ. Paris Nanterre), sont parvenus à reproduire la Joconde à l’échelle micrométrique à l’aide de résonateurs plasmoniques dits pseudo-chiraux.

La Joconde est camouflée lorsque la métasurface est observée en lumière non polarisée mais se révèle lorsque la métasurface est éclairée en polarisation circulaire, avec des variations de contraste inédites en fonction de l’angle d’observation.

La diffusion résonnante de la lumière par des particules métalliques conduit à des couleurs où chaque particule produit un pixel coloré différent. Les développements en nanotechnologies et en modélisation électromagnétique permettent aujourd’hui de contrôler également l’état de polarisation de la lumière avec une résolution spatiale sans précédent. Cet effet trouve des applications dans la création d’images colorées avec une résolution sub-longueur d’onde pour des systèmes anti-contrefaçon.

Pour en savoir plus, consultez le site web de l’INSP

Référence : Circularly Polarized Images with Contrast Reversal Using Pseudochiral Metasurfaces, T. Sang Hyuk Yoo, J. Berthelot, G. Guida, D. Demaille, E. Garcia-Caurel, N. Bonod, B. Gallas, ACS Photonics (2018)

 DOI : 10.1021/acsphotonics.8b00730

Contact : Nicolas Bonod


Réalité augmentée : de nouvelles perspectives en nanophotonique

Comment des nanoparticules métalliques permettent d’obtenir une surface globalement transparente pour des dispositifs d’affichage innovants

Les propriétés optiques des nanoparticules métalliques sont exploitées pour concevoir des supports transparents capables d’afficher des images virtuelles. Les dimensions caractéristiques sub-longueur d’onde des nanoparticules sont optimisées afin d’obtenir une efficacité de réflexion à la couleur désirée sans altérer la qualité de la transparence globale du substrat. Leur disposition spatiale est choisie pour éliminer la diffraction non spéculaire, quelle que soit leur densité spatiale. Les réponses de différents arrangements de nanoparticules d’argent (arrangements périodiques ou désordonnés corrélés, différentes densités spatiales et dimensions de nanoparticules) sont analysées numériquement et expérimentalement en mesurant les spectres de réflectance et de transmittance dans le visible. Il est montré que les arrangements désordonnés corrélés atténuent les effets de diffraction non spéculaire apparaissant aux faibles densités spatiales de nanoparticules. Cette faible densité de nanoparticules permet d’obtenir une meilleure transparence globale du dispositif. Ces configurations s’avèrent prometteuses pour concevoir des dispositifs d’affichage innovants qui intéresse l’industrie des transports (par exemple la vision tête haute dans l’automobile) ou des applications de « réalité augmentée ».

Partenaires :
 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS / Université Paris-Sud
 Institut Fresnel, CNRS / Université d’Aix-Marseille / Centrale Marseille
 Groupe PSA

Référence : "Correlated Disordered Plasmonic Nanostructures Arrays for Augmented Reality", Hervé Bertin, Yoann Brûlé, Giovanni Magno, Thomas Lopez, Philippe Gogol, Laetitia Pradere, Boris Gralak, David Barat, Guillaume Demésy and Beatrice Dagens. ACS Photonics, 2018, 5 (7), pp 2661–2668,
DOI : 10.1021/acsphotonics.8b00168

Mots-clés : nanosciences, optique, métasurface, réalité augmentée
Contact Institut Fresnel : Boris Gralak et Guillaume Demésy
Contact Centre de nanosciences et de nanotechnologies : Béatrice Dagens

 Article également publié dans La lettre de l’innovation du CNRS, numéro 45, Ajuster la réflectance d’un verre tout en préservant sa qualité de transparence


Des corrélations à très longue portée mesurées entre les molécules d’eau

Les corrélations à très longue portée entre molécules d’eau évoluent vers des structures radiales à courte portée lorsque du sel est ajouté

Dans cet article publié dans la revue Physical Review Letters, Julien Duboisset de l’Institut Fresnel et Pierre‐François Brevet de l’Institut Lumière Matière décrivent des expériences d’optique non linéaire en phase liquide mettant en évidence les corrélations en orientation des molécules d’eau.
Ces expériences montrent que ces molécules s’organisent sur des distances beaucoup plus grandes que ce qui était habituellement admis jusqu’à présent. Ils démontrent ainsi que celles‐ci s’arrangent sur des distances de plusieurs dizaines de nanomètres selon une distribution azimuthale. Ces travaux montrent aussi que lorsque l’on ajoute du sel, une transition apparaît, les molécules d’eau adoptant brutalement une distribution radiale à courte distance centrée sur les ions du sel.
Cette découverte, publiée dans la revue Physical Review Letters et sélectionnée par les éditeurs pour son intérêt large, remet en cause la vision classique des liquides et leur organisation aux échelles nanométriques.

Gauche : Illustration des corrélations d’orientation des molécules d’eau à longue distance. En rouge les molécules d’eau, en bleu, les sels.
Droite : longueur des corrélations en fonction de la concentration en sel. L’ajout de sel a tendance à briser les corrélations longues distances.

Référence :
Salt-induced Long-to-Short Range Orientational Transition in Water, Julien Duboisset and Pierre-François Brevet, Phys. Rev. Lett. 120, 263001 (2018) - Consulter l’article on-line

Contact Chercheurs :

 Julien Duboisset, Institut Fresnel - UMR7249, Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, 13013 Marseille, France (INSIS)
julien.duboisset@fresnel.fr
Tél : 04 91 28 80 49

 Pierre-François Brevet, Institut Lumière Matière – UMR 5306, Université Lyon1, CNRS, 69622 Villeurbanne, France (INP)
pierre-francois.brevet@univ-lyon1.fr


Exploiter la composante magnétique de la lumière grâce aux nanotechnologies
"Enhancing magnetic light emission with all-dialectric optical nanoantennas", article publié dans la revue Nano Letters
Des chercheurs ont élaboré une nanostructure capable d’accroître le champ magnétique d’une onde lumineuse, ouvrant la possibilité d’observer l’interaction entre cette composante magnétique de la lumière, et la matière.
Ces travaux ont été menés par des physiciens de l’Institut des nanosciences de Paris (CNRS/Sorbonne Université) et l’Institut de Ciencies Fotoniques, en collaboration avec :
 le Laboratoire de physique et d’études des matériaux (CNRS/ESPCI Paris/Sorbonne Université),
 l’IBM Almaden Research Center (USA),
 l’Institut Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille),
 le Laboratoire de physique de la matière condensée (CNRS/X
 l’Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris/Univ. Paris Diderot/Inserm/Sorbonne Université)

Reference :
Enhancing magnetic light emission with all-dielectric optical nanoantennas
M. Sanz-Paz, C. Ernandes, J. Uriel Esparza, G. W. Burr, N. F. van Hulst, A. Maitre, L. Aigouy, T. Gacoin, N. Bonod, M. F. Garcia-Parajo , S. Bidault et M. Mivelle,
Nano Letters (2018)
doi:10.1021/acs.nanolett.8b00548


Développement d’un technique d’imagerie moléculaire des tissus pour des applications médicales "SRGold"
Projet de maturation de la SATT Sud-Est en collaboration avec le CNRS et HORIBA France

Grâce à une avancée majeure en microscopie Raman stimulée, des chercheurs de l’équipe MOSAIC proposent désormais de réaliser en quelques minutes une image des molécules présentes dans un échantillon biologique. Les perspectives sont donc de pouvoir produire une nouvelle génération d’instruments hospitaliers afin de mieux identifier les tissus cancéreux.

La technique de Spectroscopie Raman Stimulée (SRS) permet de localiser dans un échantillon certaines espèces chimiques, identifiées par le type de liaisons qu’elles contiennent. Cette méthode appliquée à la microscopie de tissus biologiques permettra notamment de distinguer les tissus qui ont un caractère cancéreux. Or, les signaux Raman des molécules recherchées (collagène, acides aminés, ADN...) sont faibles et masqués par des signaux parasites. Des chercheurs de notre laboratoire ont donc résolu ces difficultés en améliorant le dispositif de microscopie SRS.

Baptisé SRGold pour "Stimulated raman gain opposite loss detection", ce système breveté en copropriété entre le CNRS et Aix Marseille Université (AMU) a pour effet d’annuler les signaux parasites, tout en multipliant par deux l’intensité du signal des molécules recherchées dans un tissu. Ces résultats sont obtenus grâce à un troisième faisceau laser, qui s’ajoute aux deux lasers qui équipent déjà un dispositif SRS traditionnel.

Le projet de maturation de la SATT Sud-Est, en collaboration avec le CNRS, a pour objectif de montrer l’apport de la technologie SRGold dans un contexte hospitalier. Ce projet est mené en collaboration avec l’Institut Paoli-Calmettes pour la détection de cancers du tube digestif et avec l’Hôpital de la Timone pour la détection de tumeurs cérébrales.

La technologie SRGold devrait permettre d’obtenir des images d’histologie moléculaire d’un tissu cancéreux en quelques minutes, au lieu de 24 heures avec l’histologie standard, et sans avoir recours à aucun marqueur explique Hervé Rigneault, responsable de l’équipe MOSAIC à l’origine de ce projet.

La société HORIBA France est enfin partenaire de ce projet de maturation, qui débouchera sur une licence d’exploitation exclusive concédée par la SATT Sud-Est. A plus long terme, la technologie SRGold étant adaptable à une fibre optique, des applications à l’endoscopie devraient également être envisagées.

Contact : Hervé RIGNEAULT


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@fresnel.fr

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

Contact communication INSIS :
insis.communication@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).

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@fresnel.fr

Corinne Chevallard, NIMBE (CEA-CNRS)
Tel 01 69 08 52 23 – corinne.chavallard@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
Imagerie de l’orientation des lipides dans des couches lipidiques artificielles
S. Brasselet

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@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@phys.ens.fr - sophie.brasselet@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@fresnel.fr - fabien.lemarchand@fresnel.fr - julien.lumeau@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.
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.
G. Baffou, Institut Fresnel

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


2010
2011
2012
2013
2014