Couplage ultrafort et ultrarapide de modes plasmoniques et photoniques pour des capteurs hautement efficaces – COUUPPLES

Des cavités hybrides sont élaborées par nanofabrication et leur réponse optique analysée. La dynamique du champ proche sera déterminée par une approche de fluorescence pompe-sonde originale. Les cavités seront ensuite intégrées dans un environnement microfluidique et leur potentiel de détection sera testé à travers six configurations différentes de complexité croissante, de la simple interrogation par lumière monochromatique continue à l'exploitation des signatures spectrales et temporelles de la réponse optique transitoire ultrarapide du dispositif. La sensibilité de ces configurations de capteur aux changements de l'indice de réfraction dans l'environnement des nanobâtonnets d’or sera d'abord déterminée. Ensuite, un aptamère d’ADN sera greffé sur la surface des nanobâtonnets, capable de se lier à des biomolécules aussi bien de petite que de grande taille. Afin d'établir la preuve de concept de nos nouvelles voies de détection basées sur le plasmon localisé, nous choisirons comme analyte la thrombine, une protéine impliquée dans plusieurs maladies cardiovasculaires, ainsi que de petites molécules possédant des activités anticancéreuses et antivirales connues.

Des simulations numériques en FDTD permettent d’optimiser le design des cavités. Les premières cavités ont été fabriquées et caractérisées optiquement. Les courbes d’anticroisement confirment le caractère de couplage fort.

Une fois la physique du couplage en régimes stationnaire et transitoire ultrarapide établie, nous procéderons au design, à la fabrication et à la caractérisation de cavités en régime microfluidique. Nous optimiserons le greffage des aptamères sur les NP d’or puis testerons les six configurations pour l’application capteur.

Présentation des premiers résultats aux conférences :
- A-MRS, Kigali (Rwanda), décembre 2024
- CNANO, Paris, mars 2025.

Couplage ultrafort et ultrarapide de modes plasmoniques et photoniques pour des capteurs hautement efficaces (COUUPPLES).
Les capteurs optiques permettent une interrogation à distance et s’appuient sur la disponibilité de nombreuses sources et détecteurs. Les nanoparticules (NP) métalliques sont largement utilisées car leur résonance plasmon de surface localisée est modifiée par de petites perturbations de leur environnement, permettant une sensibilité de détection élevée. Couplées avec un mode photonique résonnant d'une microcavité 1D en régime de couplage faible, les NPs d’or présentent une réponse ultrarapide fortement accrue et une largeur de résonance réduite. Il est même possible d'atteindre le régime de couplage ultra-fort. Une impulsion laser peut alors induire la modulation du régime de couplage d’ultra-fort à faible en moins d’une picoseconde. Notre projet en fera la première démonstration expérimentale en insérant au centre d'une cavité photonique un réseau de nanobâtonnets d'or alignés. La caractéristique d’anticroisement dans les courbes de dispersion des modes polaritons issus du couplage sera démontrée et la preuve du couplage ultra-fort établie. La susceptibilité élevée à l'environnement des NP des modes polaritons et leur dynamique seront exploitées pour réaliser de nouveaux capteurs avec une grande sensibilité et un grand volume effectif. Des cavités hybrides seront élaborées par nanofabrication et leur réponse optique analysée. La dynamique du champ proche sera déterminée par une approche de fluorescence pompe-sonde originale. Les cavités seront ensuite intégrées dans un environnement microfluidique et leur potentiel de détection sera testé à travers six configurations différentes de complexité croissante, de la simple interrogation par lumière monochromatique continue à l'exploitation des signatures spectrales et temporelles de la réponse optique transitoire ultrarapide du dispositif. La sensibilité de ces configurations de capteur aux changements de l'indice de réfraction dans l'environnement des nanobâtonnets d’or sera d'abord déterminée. Ensuite, un aptamère d’ADN sera greffé sur la surface des nanobâtonnets, capable de se lier à des biomolécules aussi bien de petite que de grande taille. Afin d'établir la preuve de concept de nos nouvelles voies de détection basées sur le plasmon localisé, nous choisirons comme analyte la thrombine, une protéine impliquée dans plusieurs maladies cardiovasculaires, ainsi que de petites molécules possédant des activités anticancéreuses et antivirales connues. Le projet sera réalisé à travers une approche interdisciplinaire réunissant trois laboratoires académiques : LuMIn pour l'investigation théorique et expérimentale de la réponse optique ultrarapide, L2n pour la nanofabrication et la caractérisation optique, et LBPA pour la bio-fonctionnalisation.