Détection et sensing
La nanophotonique permet le contrôle de l'interaction lumière-matière à une échelle nanométrique bien inférieure à la longueur d'onde. Il est ainsi possible de piéger la lumière dans des nanorésonateurs et de rendre efficace des procédés d'interaction avec la matière qui autrement serait très faible.
Deux pistes de travail pour améliorer l'efficacité de composants actifs et des processus de détection sont étudiées dans l'équipe :
Les résonateurs plasmoniques revêtent une importance particulière dans le domaine THz. L'objet de la thèse est d'utiliser des résonateurs dits de Helmholtz, associés à des matériaux 2D, tels que le graphène, le hBN ou le MoS2, pour développer des dispositifs accordables électriquement. Dans le graphène, il est par exemple possible avec l'application d'une tension de modifier le niveau de Fermi et ainsi de modifier sa réponse optique. Associé au résonateur plasmo,ique, la modulation de l'onde électromagnétique en réflexion ou transmission serait exaltée, ce qui permettrait une utilisation comme modulateur. Le résonateur peut également être utilisé pour à la fois exalter l'interaction avec la matière pour la spectroscopie infrarouge large bande, et amplifier le photocourant mesuré au niveau du graphène qui jouerait le rôle de détecteur.
Certains objets biologiques comme les protéines sont particulièrement petits (de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres), de telle sorte qu'ils diffusent très peu la lumière : leur observation est terriblement difficile sans certaines astuces expérimentales, comme le marquage par des molécules fluorescentes, qui affecte nécessairment l'objet étudié. Notre équipe étudie des méthodes dites "label-free", basées sur la méthode iSCAT, qui cherche à reconstruire des images à partir d'interférences entre une onde de référence et l'onde diffusée par la particule. Le champ diffusé peut bénéficier de la présence d'objets nanophotoniques dans son environnement pour être exalté : c'est le principe de la méthode CEISCAT.
UNVEIL : Caractérisation des nanoparticules sans marquage
Nos recherches visent à développer des méthodes optiques permettant la caractérisation quantitative des nanoparticules en suspension. Nous avons mis au point une technique sans marquage basée sur la microscopie par diffusion interférométrique (iSCAT), capable de détecter des nanoparticules en diffusion libre dont le diamètre peut descendre jusqu’à environ 10 nm.
Cette méthode combine la microscopie iSCAT à une reconstruction holographique basée sur la propagation du spectre angulaire afin de restituer la distribution tridimensionnelle des particules diffusantes. En suivant le mouvement brownien de chaque nanoparticule, nous déterminons son diamètre hydrodynamique, tandis que sa section efficace de diffusion optique est mesurée directement à partir du signal interférométrique. Cette approche fournit des mesures quantitatives de la concentration en particules et permet de caractériser des échantillons hétérogènes en regroupant les particules dans l’espace section efficace de diffusion–diamètre.
Les applications actuelles comprennent la caractérisation de nanovecteurs biologiques tels que les bactériophages, les nanoparticules lipidiques, les vésicules extracellulaires et les virus, en mettant particulièrement l’accent sur l’évaluation de leur état « plein » ou « vide » et de l’hétérogénéité de leur population.
Les recherches en cours visent à étendre la sensibilité de cette technique aux nanoparticules à faible diffusion, telles que les vésicules extracellulaires bactériennes, et à développer des modèles de diffusion avancés permettant d’extraire des informations structurelles plus riches allant au-delà de la taille des particules, notamment des indications sur la composition et l’organisation interne des nanoparticules.
Ces travaux ont donné lieu à plusieurs brevets et à la création d’Unveil, une spin-off de l’Institut d’Optique Graduate School fondée en 2025 par Matthieu Greffet, Alexis Auchère et Jean-Jacques Greffet. Tandis qu’Unveil développe des instruments basés sur ces technologies, les recherches sur les méthodes sous-jacentes se poursuivent au sein du laboratoire.
 | Pierre-Louis Paillet Doctorant (PhD 2027) Active resonators coupled to 2D materials for detection and sensing in the THz range |
 | Alexis Corbillet Doctorant (PhD 2028) Détection sans marquage de nanoparticules uniques d'intérêt biologique |
| Matthieu Greffet Ingénieur de recherche UNVEIL |
| Florian Semmer Post-doctorant (maintenant ingénieur de recherche chez UNVEIL)
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