Vibration GHz d’une nanoparticule unique : sonde d’élasticité locale à une échelle submicronique – NanoVibe

Le présent projet a pour but de développer des techniques expérimentales innovantes pour sonder localement l’élasticité d’un milieu hétérogène à une échelle submicronique, grâce au champ acoustique GHz rayonné par une nanoparticule (NP). L’objectif à terme est de contrôler la qualité de composants électroniques ou de mieux comprendre les processus biologiques au sein d’une cellule. Ces vingt dernières années, les méthodes opto-acoustiques se sont révélées extrêmement puissantes pour étudier les modes de vibration de NPs métalliques ou semi-conductrices, que ce soit dans le domaine spectral (diffusions Raman et Brillouin) ou temporel (mesures pompe-sonde de transmission transitoire). Ces mesures ont été réalisées sur des ensembles de NPs puis sur une NP unique. Nous avons révélé récemment un nouveau mécanisme de détection des vibrations d’une particule submicronique unique en mesurant la modification de sa réflection. Une mesure de refléctivité transitoire est plus riche car elle permet de détecter la diffusion Brillouin dont les caractéristiques (fréquence et largeur du pic) sont intrinsèques au milieu étudié, i.e. indépendantes de la morphologie de la NP.

La première partie de ce projet sera consacrée à l’ingénierie de transducteurs opto-acoustiques nanométriques (NOATs). Elle s’appuiera sur les résultats préliminaires que nous avons obtenus sur une particle d’or individuelle de diamètre 430 nm.
Dans la première tâche, nous optimiserons l’efficacité de transduction en adaptant la taille/forme de la NP ainsi que son matériau constitutif afin d’accorder la fréquence Brillouin (quelques dizaines de GHz) avec le mode de respiration fondamental de la NP. Nous optimiserons en parallèle l’efficacité de la détection en ajustant la longueur d’onde de la sonde. Une modélisation de l’interaction élasto-optique 3D sera développée pour inclure le caractère 3D de l’onde optique.
La seconde tâche sera consacrée à la génération de fréquences acoustiques plus élevées (supérieures à 100 GHz), afin d’être sensible à des hétérogénéités élastiques nanométriques. Outre l’étude de NPs cœur-coquille, nous mettrons en évidence le potentiel de NOATs magnétiques pour contrôler la directivité du champ acoustique rayonné.
Enfin, nous démontrerons dans la dernière tâche l’intérêt des NOATs pour sonder localement l’élasticité d’un milieu à une échelle submicronique, en mesurant le champ acoustique rayonné par le NOAT soit par diffusion Brillouin (longueurs d’onde acoustiques allant de 100 nm à 1 µm), soit par interférométrie (longueurs d’onde acoustiques inférieures à 100 nm). Cette dernière méthode sera aussi adaptée pour des milieux à faibles coefficients piezo-optiques.

La force et le caractère ambitieux de ce projet résident dans les différentes solutions que nous proposons pour développer des applications innovantes du champ acoustique rayonné par une NP. Sa réussite sera conditionnée par les points suivants : des échantillons de très haute qualité, une longueur d’onde du faisceau sonde adaptable pour maximiser la diffusion Brillouin, une maîtrise de NPs de géométrie originale (nano-bâtonnets, nano-ellipsoids) et faites de matériaux inhabituels (silice amorphe, ferrite magnétique) et enfin une modélisation approfondie du mécanisme de détection pour inclure le caractère 3D de l’onde optique.

Ce projet devra conduire à la création d’un ensemble de NOATs de différentes morphologies, chacune présentant ses propres avantages. L’idée étant par la suite d’introduire un tel transducteur dans une cellule biologique, ce projet montrera de plus le potentiel de ces NOATs pour sonder localement les propriétés élastiques d’un milieu à une échelle submicronique.
Par ailleurs, une réponse positive à la présente soumission permettra au coordinateur de ce projet de poursuivre le développement du nouvel axe scientifique qu’il a initié depuis deux ans au sein de l’équipe d’opto-acoustique laser de l’I2M et de renforcer la collaboration avec l’équipe CIMMES du CRPP.