Physique des systèmes confinés - Physics of confined systems

The research conducted in relation to PCS, at the interface of the science of materials, condensed matter physics and soft and ultra-divided matter, aims to understand the  phenomena which occur at the small scales of space and time.

In particular, the main axis of this research, is the  study of relations between the confinement, the structural organisation and the dynamics in materials for better  knowledge of magnetic, electrical and molecular orders.

Axe 1 : Couplage spin-électron-phonon-photon-structure

Axe 2 : Physique aux interfaces : Matière molle, Biologie, Santé

• Quelques faits marquants

Dans ce travail nous avons suivi et modélisé les propriétés magnétiques de nanoparticules creuses (hollow nanoparticles HNPs) de maghémite g-Fe₂O₃ en fonction du diamètre et de l’épaisseur. Les structures hyperfines de ces  différentes HNPs ont été comparées à celles des nanoparticules « pleines » ; de plus, la spectrométrie Mössbauer sous champ magnétique a mis en évidence une structure magnétique complexe combinant deux sous-réseaux spéromagnétiques couplés anti-ferromagnétiquement en plus de la présence d’un grand champ d'échange bias et révélé que les unités octaédriques étaient majoritaires en surface, constituant des résultats novateurs. Des simulations numériques type Monte Carlo ont permis de quantifier les effets de l’anisotropie de surface qui gouverne les propriétés magnétiques de HNPs alors que d’autres calculs couplant ab initio et dynamique moléculaire sont actuellement développés pour décrire les propriétés structurales et magnétiques à l’échelle atomique (avec R. Busselez).

Dans cette publication, nous avons démontré la pertinence d'un capteur SERS pour la détection, l'identification et la quantification d'un biomarqueur de maladie (la MnSOD). L'utilisation de méthodes statistiques multivariées (PCA et PLS) pour l'analyse des signaux SERS a non seulement permis la détection du biomarqueur en très faible concentration (pM) mais également l'observation de modifications structurales sur le biorécepteur (aptamère) lors de l'interaction avec le biomarqueur. Cette étude s'intègre dans une approche globale sur la compréhension des interactions biomoléculaires et sur l'optimisation de capteurs biologiques. Ce projet vient d'être renforcé par l'obtention d'un projet international avec la Chine (2020-2024).

La tomographie des rayons X est devenue une technique incontournable pour sonder la morphologie en 3 voire 4 dimensions de nombreux objets à des échelles allant de 10nm (ID10,ID16 ESRF) à quelques microns (ID19,ESRF). Nous avons exploité ces lignes de lumière pour analyser la porosité de particules de CaCO₃ (thèse O. cherkas,) et pour imager et déterminer de façon originale la masse de coccolithes qui sont les boucliers de calcite formés par les coccolitophores (Nature Comm. 2019). Ces travaux ont fait l’objet de plusieurs conférences invitées et faits marquants (ESRF, CNRS). Ils permettent de mieux comprendre quel sera à terme l’impact de l’acidification des océans sur les plus petits squelettes carbonatés du milieu marin en ayant une référence pour la détermination de leur masse. Par ailleurs, nous avons montré in operando en utilisant la cellule HADES de l’ERSF comment le ciment pouvait réagir avec le CO₂ à l’état supercritique pour combler des fractures initiales par précipitation de carbonate de calcium. Ceci ouvre la porte à une meilleure compréhension de l’impact du stockage du CO₂ dans les puits pétrolifères (coll. NTNU , SINTEF Trondheim). Finalement, l’imagerie par holotomographie sur ID16 nous a permis d’accéder à la structure multi-échelles des diatomées.

Imagerie 3D de coccosphères par diffraction cohérente de rayons X (ID10A/ESRF)et de diatoméepar holotomograhie (ID16B/ESRF)

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux propriétés magnéto-photoniques linéaires et non-linéaires de structures périodiques à base de nano-dimères de Nickel dans lesquelles les effets liés à la structure en réseau peuvent, sous certaines conditions de conception, devenir prédominants sur les effets d’augmentation du champ électro-magnétique local. Ainsi, en étudiant les anomalies de Wood générées par ces structures (les anomalies de Wood consistant en une redistribution de l’énergie lumineuse entre plusieurs ordres de diffraction, pouvant conduire à la création de nouveaux ordres le long de la surface), nous avons pu mettre en évidence qu’il est possible d’obtenir une baisse de 70% de l’énergie de l’ordre 0 de diffraction par processus non-linéaire (génération de seconde harmonique), i.e. un ordre de grandeur plus large que par le processus linéaire. En effet, à partir d’une étude spectroscopique via la génération du signal magnétique de seconde harmonique en fonction de la longueur d’onde du faisceau incident et de son angle d’incidence sur le réseau, nous avons montré que la dépendance angulaire du contraste magnétique de seconde harmonique porte la signature du processus non-linéaire d’anomalie de Wood. Cette étude a montré la possibilité de contrôler, par voie optique, les propriétés magnétiques de métasurfaces complexes à l’échelle nanométrique.

L’utilisation d’impulsions électromagnétiques picoseconde dans le domaine terahertz (THz) permet d’apporter un nouveau regard sur les propriétés des électrons, des phonons ou encore des  magnons dans les matériaux. En effet, la très faible énergie des photons constituant l’impulsion, dans le domaine meV, associé à un fort champ électrique, permet d’explorer de nouvelles dynamiques de particules élémentaires. Dans cette étude nous avons démontré la génération par impulsions THz de phonons acoustiques cohérents (mode de respiration) dans des films minces nanométriques métalliques (Cr, Al) d’une part, et d’isolant topologique (Bi₂Te₃) d’autre part. De plus, dans le cas des films métalliques, la génération du mode de respiration a pour origine la thermoélasticité. Ces résultats pourraient avoir des implications aussi bien fondamentales, une nouvelle approche pour le contrôle de la pression acoustique dans les matériaux, qu’appliquées, notamment pour étudier la viscoélasticité dans la matière molle.

Les matériaux ferroélectriques sont à la base de nombreux capteurs dont les transducteurs électromécaniques, les nanomoteurs et les actionneurs. Alors que nous nous dirigeons vers les technologies térahertz (THz), un domaine critique pour les technologies de l'information et de la communication (TIC), il devient de plus en plus important de comprendre et de manipuler à l'échelle de la picoseconde les déformations des réseaux cristallins de ces matériaux et la polarisation ferroélectrique associée (i.e. l’effet piézoélectrique ultra-rapide). Dans cet article nous avons réussi à démontrer que les impulsions laser femtosecondes peuvent engendrer des déformations photo-induites complexes dans le réseau du matériau ferroélectrique BiFeO3, et ce à l’échelle de la picoseconde. En combinant la diffraction des rayons X ultra-rapide et des méthodes d’optique résolues en temps, les chercheurs ont pu retracer la déformation dans un film de BiFeO3 et avec une résolution temporelle de quelques picosecondes. Cette approche a révélé une impulsion de déformation picoseconde dont l’amplitude peut atteindre 0,6 %, démontrant l’efficacité de l’interaction lumière-matière. Cette impulsion de déformation est caractérisée par un front de compression et une queue d'expansion. En outre, l'impulsion de déformation comprend un mélange de déformations longitudinales et transversales, un phénomène quantifié pour la première fois.

Ongoing PhDs

• Akram Mhiri, Elaborations, caractérisations et études spectroscopiques des composés hybrides organique-inorganique de formule RaMbX2b+a avec R=N(CH3)4, N(C2H5)4; M= Sn, Zn, Co, Bi et Sb et X=Br et I, sous la direction de Alain Bulou.

• Sergei Sulavko, Investigation of clays soils at the meso- and nano-scopic scales for sustainable land and railway transport applications, sous la direction de Philippe Daniel et Viktor Yavna.

• Anh Dung Nguyen, Élaboration d'un protocole innovant de mesures des propriétés mécaniques des membranes cellulaires pour des applications de diagnostic médical et à visées thérapeutiques, sous la direction de Olivier Noël.

• Manel Missaoui, Etude des propriétés structurales et magnétiques des composés multiferroïques à base de BiFeO3, sous la direction de Nirina Randrianantoandro, Maud Barré et Sandrine Coste.

• Bapturev Mongol, Synthesis and investigation of calcium carbonate particles, sous la direction de Alain Gibaud.

• Ariunzaya Tsogoo, Synthesis and investigation of Zinc Oxide nanoparticles in the goal of antimicrobial activity, sous la direction de Philippe Daniel et Dashzeveg Rentsenmyadag.
  

• Artem Levchuk, Ultrafast electrons, phonons and spins couplings at the nanoscale, sous la direction de Pascal Ruello.

• Wafa Safar, NanoBiocapteur SERS à haute sensibilité et sélectivité, Application au diagnostic précoce des maladies, sous la direction de Marc Lamy de la Chapelle.

• Ruizhe Gu, Ultrafast Photostriction in Ferroelectric Materials, sous la direction de Pascal Ruello.

• Marion Schwartz, Intéractions des micro-nano-plastiques avec les protéines et effets sur leur devenir dans un environnement biologique, sous la direction de Guillaume Brotons.

• Wasan Tessanan, Study of photo-sensitive material derived from natural rubber for utilization in stereolithography 3D printing, sous la direction de Philippe Daniel.

• Pierre Taugeron, Développement d'un capteur métallique multi-nanostructuré à détection SERS, sous la direction de Jean-François Bardeau.

• Meryem Rahmani, Analyses Raman multispectrales exaltées pour la détection de molécules sous forme de trace, sous la direction de Jean-François Bardeau.

• Khansinee Longkaew, Synthesis and characterization of coated CaCO3 particles for filler in natural and synthetic rubber, sous la direction de Alain Gibaud.

• Thomas Perrault, Suivi de microplastiques individuels en interaction avec protéines et membranes biologiques, sous la direction de Guillaume Brotons.