Topic description
Ce projet vise à développer une nouvelle approche de spectroscopie Brillouin assistée par microscopie à force atomique (AFM), afin de moduler à l'échelle nanométrique des phonons acoustiques. La microscopie Brillouin permet de sonder, de manière non invasive et sans marquage, les differences relatives de propriétés mécaniques des matériaux via l'interaction lumière–phonons, donnant accès aux modules élastiques à haute fréquence (GHz). Toutefois, sa résolution reste typiquement limitée à l'échelle micrométrique, autour de la longuer d'onde de ces phonons, ce qui empêche l'exploration fine de l'hétérogénéité mécanique dans les systèmes biologiques et les matériaux mous.
En parallèle, l'AFM offre une résolution spatiale nanométrique et une grande sensibilité aux propriétés mécaniques locales, mais elle sonde essentiellement la réponse quasi-statique du matériau (Hz-kHz) et nécessite un contact direct avec l'échantillon. Le couplage de ces deux approches constitue une opportunité unique pour:
1) exploiter la pointe AFM comme une antenne mécanique nanométrique, capable de confiner, d'amplifier et de modifier localement les modes acoustiques sondés par spectroscopie Brillouin
et
2) accéder à une description mécanique multi-échelle et multi-fréquentielle des systèmes complexes.
En introduisant une perturbation locale contrôlée du champ de phonons, la pointe permet d'accéder à une résolution spatiale bien inférieure à la longueur d'onde acoustique. Cette approche s'inscrit dans la lignée des techniques optiques «tip-assisted et tip-enhanced», largement développées en spectroscopie Raman (TERS), mais encore inexplorées dans le domaine de la spectroscopie Brillouin.
Le projet repose sur le développement d'un montage expérimental hybride combinant un microscope AFM et un spectromètre Brillouin à haute résolution basé sur un interféromètre de type VIPA. Un faisceau laser ( nm) sera focalisé au voisinage de la pointe AFM, permettant de sonder les excitations acoustiques locales dans des conditions de fort confinement. Une attention particulière sera portée à l'optimisation de l'alignement optique, à la géométrie pointe–échantillon, ainsi qu'à l'efficacité de collecte du signal Brillouin, typiquement faible.
Le montage expérimental est désormais assemblé et prêt à être utilisé.
Dans un premier temps, la méthode sera validée sur des systèmes modèles bien contrôlés, tels que des polymères et des gels, afin de quantifier les gains en résolution et en sensibilité. Dans un second temps, elle sera appliquée à des systèmes biologiques complexes, notamment des cellules vivantes et des condensats biomoléculaires, où les hétérogénéités mécaniques jouent un rôle clé. Enfin, l'approche sera étendue à des systèmes vivants, en particulier des cellules, afin d'explorer leur organisation mécanique à l'échelle nanométrique dans des conditions physiologiques.
Les résultats attendus incluent la démonstration d'une spectroscopie Brillouin à résolution nanométrique, la mise en évidence du rôle de la pointe AFM comme antenne mécanique locale, ainsi que l'accès à une caractérisation mécanique sur une large bande fréquentielle, du quasi-statique aux fréquences GHz. Ce projet ouvre ainsi la voie à une nouvelle classe de techniques de nano-spectroscopie mécanique, avec des retombées potentielles majeures en biophysique, en science des matériaux et en nanosciences.
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This project aims to develop a novel approach to Brillouin spectroscopy assisted by atomic force microscopy (AFM), with the goal of modulating acoustic phonons at the nanometric scale. Brillouin microscopy enables non-invasive, label-free probing of the relative variations of mechanical properties of materials through light–phonon interactions, providing access to high-frequency (GHz) elastic moduli. However, its spatial resolution is typically limited to the micrometer scale, on the order of the acoustic wavelength, which prevents detailed investigation of mechanical heterogeneity in biological systems and soft materials.
In parallel, AFM offers nanometric spatial resolution and high sensitivity to local mechanical properties, but primarily probes the quasi-static response of materials (Hz–kHz) and requires direct contact with the sample. Combining these two approaches provides a unique opportunity to:
1) exploit the AFM tip as a nanometric mechanical antenna, capable of confining, amplifying, and locally modifying the acoustic modes probed by Brillouin spectroscopy; and
2) access a multi-scale and multi-frequency mechanical description of complex systems.
By introducing a controlled local perturbation of the phonon field, the AFM tip enables overcoming the diffraction limit and achieving spatial resolution well below the acoustic wavelength. This approach follows the paradigm of “tip-assisted” and “tip-enhanced” optical techniques, widely developed in Raman spectroscopy (TERS), but still largely unexplored in the context of Brillouin spectroscopy.
The project is based on the development of a hybrid experimental setup combining an AFM microscope with a high-resolution Brillouin spectrometer based on a VIPA interferometer. A laser beam ( nm) will be focused in the vicinity of the AFM tip, enabling the probing of locally confined acoustic excitations. Particular attention will be paid to optimizing optical alignment, tip–sample geometry, and the collection efficiency of the inherently weak Brillouin signal. The experimental setup has been assembled and is now ready to be used.
Initially, the method will be validated on well-controlled model systems such as polymers and gels, in order to quantify improvements in spatial resolution and sensitivity. It will then be applied to complex biological systems, including living cells and biomolecular condensates, where mechanical heterogeneity plays a key role. Ultimately, the approach will enable investigation of the mechanical organization of living systems at the nanometric scale under physiological conditions.
Expected outcomes include the demonstration of nanometric-resolution Brillouin spectroscopy, validation of the AFM tip as a local mechanical antenna, and access to broadband mechanical characterization spanning from quasi-static to GHz frequencies. Therefore, this project opens the way to a new class of nano-mechanical spectroscopy techniques, with strong potential impact in biophysics, materials science, and nanoscience.
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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