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ENS Cachan - Laboratoire de photonique quantique et moléculaire

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Propriétés non-linéaires de nanoparticules et nanostructures isolées

Equipe Nanophotonique non-linéaire et biophotonique

Suite aux études réalisées sur les nanoparticules organiques (puis plus récemment de KTP) ainsi qu'au développement de cette thématique dans le contexte international, il apparaît intéressant d'augmenter le panel des nanoparticules non-linéaires disponibles en particulier si elles sont capables de générer un champ de second harmonique (GSH) intense et stable. Ces nanoparticules peuvent à la fois montrer des propriétés physiques nouvelles, ou bien posséder une non-linéarité intrinsèque suffisante pour pouvoir utiliser des tailles très petites, de l'ordre de 10 nm. De telles nanoparticules deviennent alors compatibles avec l'étude de certains processus biologiques ou permettent d'envisager des sondes de champ électromagnétique de très haute résolution spatiale.

Nous étudions aussi des films de molécules non-linéaires organisées en collaboration avec Elena Ishow (PPSM).

a. En collaboration avec Dan Oron au Weizmann Institute of Science (Israël), nous nous sommes intéressés à des nanoparticules de CdTe, matériau semi-conducteur non-centrosymétrique connu pour montrer une très forte non-linéarité sous forme massive. Nous avons en effet pu observer la GSH de nanoparticules de 10 nm. Hormis la très petite taille de ces nanoparticules, la structure cristalline a une symétrie différente de celle des nanocristaux de KTP. De plus, la longueur d'onde d'excitation peut être optimisée avec apparition de résonance liée au confinement quantique pour les signaux de SHG. Un travail est en cours pour fonctionnaliser ces nanoparticules. Cette étude entre dans le cadre du tout nouveau Laboratoire Européen Associé (LEA) Weizmann-CNRS.

b. D'autres nanoparticules non-linéaires mieux connues comme le BaTiO3 ont aussi été étudiées (collab. Natalie Doss, Joe Perry, Georgia Tech.). Similaires aux nanocristaux de KTP, elles générent des champs de GSH confortables pour des tailles de l'ordre de 100 nm et montrent une symétrie cristalline différente de celle du KTP.

c. Il existe aussi tout une famille de nanoparticules qui peuvent être utilisées via leurs propriétés d'émission de fluorescence à deux photons. Les nanocristaux de CdTe en sont un exemple connu. Une collaboration avec l'Université de Muenchen (Luisa de Cola) est aussi en cours sur des nanocristaux de Silicium. La microscopie à deux photons offre ici une excitation localisée d'un nanocristal dans un échantillon tridimensionnel.

Aujourd'hui nous disposons donc déjà d'un panel de nanocristaux actifs en GSH résonante ou non-résonante propres à l'Institut d'Alembert et ses collaborateurs, et, au-delà de l'étude de leurs propriétés physiques, nous nous orientons vers l'utilisation de ces nanocristaux comme sondes.

Etude de films moléculaires organisés

En collaboration avec le laboratoire de Chimie (Elena Ishow, PPSM) de l'ENS Cachan, nous étudions la possibilité de structurer les propriétés non-linéaires de films moléculaires. Les molécules non-centrosymétriques ont été produites au PPSM pour qu'elles s'auto-organisent d'une façon non-centrosymmétrique lors du dépôt par évaporation des molécules. On aboutit alors à un film émettant spontanément de la GSH sous excitation femtoseconde. Ce film peut être structuré grâce à un autre champ lumineux à une longueur d'onde spécifique dont le rôle est de désorienter localement les molécules par changement de conformation. Des réseaux ont ainsi pu être photoinscrits et visualisés par mesure de la GSH structurée.
Au-delà de l'aspect inscription d'information et nouveaux composants optiques de cette activité, ces films constituent un échantillon à deux dimensions modèle pour tester nos méthodes de microscopie sur des surfaces non-linéaires.

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