Modal de Physique

Ce modal permet aux étudiants de découvrir par une approche scientifique « par la recherche » la physique des plasmas créés par laser. Les outils et les techniques innovantes, utilisés au quotidien dans les laboratoires de physique des plasmas font l’objet des trois premières séances, les autres séances étant réservées aux expériences d’interaction laser plasma.

Les plasmas, quatrième état de la matière, constitués d’électrons libres et d’atomes (ions) peu ou totalement ionisés, sont globalement neutres. La longue portée de l’interaction coulombienne leur confère des propriétés originales. Les plasmas créés par laser font l’objet de recherche fondamentale : la fusion par confinement inertiel pour la simulation d’armes ou pour la production d’énergie, l’astrophysique de laboratoire ou encore l’accélération de particules. Ce module expérimental vous permettra de créer votre premier plasma et de le caractériser par les techniques les plus récentes qui révèleront sa constitution, sa température et sa densité.

Les 3 premières séances sont dédiées à la découverte de l’environnement expérimental avec une séance sur le laser et son fonctionnement, et deux séances sur les techniques optiques: imagerie passive et active, réfractométrie, Schlieren, spectroscopie et interférométrie appliquée à l’écoulement de jet de gaz.

Les séances suivantes mettent à profit la maîtrise des techniques vues aux cours des trois premières séances. Les élèves réalisent l’expérience d’interaction laser plasma en focalisant le laser de puissance sur une cible solide ou gazeuse. Ils caractériseront ce plasma éphémère en prélevant par exemple une partie du faisceau laser créant le plasma pour sonder de façon optique le plasma et de suivre avec une résolution temporelle de la dizaine de nanosecondes la dynamique du plasma et par la suite d’en estimer sa température. Les spectres d’émission ou d’absorption obtenus permettent de plus de connaître la constitution du plasma, et l’interférométrie d’en estimer sa densité. Des expériences complémentaires sont couramment suggérées par les élèves, leur permettant de développer ainsi leur esprit d’initiative et d’exercer leurs talents de jeunes chercheurs.

Une visite des laboratoires LULI et LOA ainsi que trois cours (état de l'art des lasers de puissance, de la fusion inertielle et de l'interaction relativiste) d'environ une heure, viennent étoffer cet enseignement expérimental.

Laboratory for Plasma Physics (LPP) Ecole polytechnique

Supervisor: Svetlana Starikovskaia (www.lpp.fr)

Spectroscopy, as a diagnostic technique, represents a broad class of methods based on the internal structure of atoms and molecules. In physics and chemistry, atoms and molecules in the object of study are subjected to changes which lead to modification of their absorption/emission spectra. Registration of the emission in UV-visible-IR range gives detailed information about the properties of the object. More comprehensive laser methods, such as laser induced fluorescence (LIF), two-photon absorption laser induced fluorescence (TALIF) use a selective laser excitation of atoms/molecules with subsequent registration of the spectra of fluorescence.

Low-temperature nonequilibrium plasma of gas discharges is naturally connected with spectroscopy: emission spectra, observed in gas discharges, are due to excitation of internal states of atoms and molecules. The examples of excitation of internal levels of atoms/molecules with the subsequent emission in UV-visible range of the spectrum can be found in nature. They are, for example, aurora borealis, high-altitude lightning (so-called blue jets and red sprites) and so on.

During the Project, the students will make a review of spectroscopy techniques used to measure gas parameters in different domains (plasma, combustion, chemistry) and will apply their knowledge to measure, by emission spectroscopy, a temperature of gas in discharge in synthetic air (N2:O2=4:1 mixture). Students will measure, using a spectrometer and ICCD camera, the emission spectra, will identify the transitions, will learn how to link the spectra with internal parameters of the gas and will write a code to treat the experimental data.

Figure 1: Laboratory plasma: glow discharge in supersonic air flow

Figure 2: Plasma in nature: scheme of high-altitude discharges

Responsable : Alexandre Zabi
Enseignants : Luca Cadamuro, Pierre Chopin

1. Objectifs
La physique des particules (ou subatomique, corpusculaire, des hautes énergies suivant les époques) a pour but de dégager une vision unifiée de l'ensemble des forces de la nature : électromagnétique, nucléaire faible, nucléaire forte et ultimement gravitation. Si la récente découvertes au CERN d'un boson compatible avec le Higgs du Modèle Standard, nécessite des installations conséquentes, il est possible sur paillasse de se familiariser avec les concepts expérimentaux de base à l'aide des rayons cosmiques ou de sources radio-actives, et de (re)faire des mesures.

2. Organisation
Le modal d'interaction fondamentale offre la possibilité à 4 binômes de travailler sur l'une des thématiques suivantes : rayons cosmiques et temps de vie du muon ; diffusion Compton, et mise en évidence de la relativité restreinte ; annihilation matière-antimatière ; radio-activité et imagerie Béta.

Sur les 9 séances, la première est consacrée à une courte introduction théorique, revue des règles de sécurité et découverte du matériel ; les 3 ou 4 suivantes laissent le temps de comprendre le matériel à partir des principes fondamentaux et d'en régler les paramètres ; un oral d'« entrainement » individuel permet d'échanger avec les autres binômes (et de corriger les incompréhensions résiduelles) ; le reste des séances sert aux mesures. Un maximum de liberté d'opération est laissé aux binômes sur les objectifs (mesures, test d'hypothèse), ainsi que sur les moyens (analyses, calculs, simulations).

3. Aperçu

3.1. Diffusion Compton

Figure 1: Modèle pour la simulation GEANT4 du dispositif

La diffusion élémentaire d'un photon de haute énergie (~MeV) sur un électron individuel a été découverte par Arthur Compton en 1923. Dans cette réaction l'électron peut acquérir une vitesse relativiste, ce qui peut être mis en évidence par l'étude de la cinématique de la réaction et la mesure de l'angle et de l'énergie du photon diffusé par spectrométrie gamma (Crystal de NaI). Inversement, la masse de l'électron peut-être relativement bien mesurée, une fois les biais systématiques déterminés, soit par calcul soit par simulation détaillée (par le logiciel Geant4). Cette étude ouvre la voie à la mesure de la section efficace de Klein-Nishina, pour ceux qui aiment les défis.

3.2. Annihilation matière-antimatière

Figure 2: Imagerie fonctionnelle du cerveau par la TEP

De l'antimatière est produite autour de nous à chaque instant : dans les rayons cosmiques, ou dans le processus de désintégration radioactive ß+ (pour les noyaux présentant un excès de protons). Dans ce dernier cas, ce sont des positrons qui sont produits, et vont rapidement s'annihiler avec un des électrons de la matière en une paire de photons de 511 keV. Il est proposé ici de jouer au physicien et de mettre en évidence ce «nouveau » phénomène, et de le distinguer par exemple d'un effet de physique nucléaire classique, par l'étude de la cinétique de la réaction en spectrométrie gamma en coïncidence.

Alternativement, ce mécanisme est utilisé en médecine par l'imagerie par tomographie par émission de positrons (TEP) ; le dispositif expérimental minimum au MODAL permet néanmoins d'étudier les performances et limites de cette technique d'imagerie médicale.

Ce même dispositif peut également être utilisé pour se familiariser à spectroscopie nucléaire (par ex. cascades de désintégration de l'152Eu).

3.3. Imagerie Béta

Le MODAL dispose d'un imageur Béta permettant de faire des cartes 2D de la radioactivités ß dans un échantillon plan. Grâce à une amplification gazeuse importante (~106), suivant le principe qui est utilisé dans les chambres à fils et les compteurs Geiger-Müller, chaque désintégration laissant une trace dans l'imageur sera visible sous la forme d'une étincelle. Elles sont enregistrées par une caméra CDD, et l'image moyenne analysée et corrigée.

Figure 3 : Image moyenne de 6 sources de 14C (ici en saturation pour l'étude du bruit)

Après réglage de l'appareil et étalonnage, l'étude des mécanismes de diffusion et absorption fine des rayonnements ß est proposée à l'aide de sources de différentes énergies.

3.4. Étude du rayonnement cosmique

Nous sommes baignés en permanence par un flux de particules d'origine cosmique, à raison d'une particule par seconde et par surface de main (en ignorant les neutrinos), essentiellement des muons. À l'aide d'un appareillage extrêmement simple il est possible de mesurer leur distribution angulaire. Celle-ci est liée à la distribution en énergie du rayonnement primaire heurtant la haute atmosphère via le temps de vie du muon, augmentée par les effets relativistes. L'utilisation des cosmiques commence à avoir des applications pratiques de « muongraphie » d'objets (très) lourds : volcans, pyramide, etc.

Figure 4 : Principe (gauche) et mesure (droite) de la densimétrie par "muongraphie" du Puy de Dôme, laissant apparaitre la chambre magmatique

Contexte
Les lasers femtosecondes permettent de produire de manière routinière des impulsions lumineuses dont la durée est de l’ordre de 10-14 à 10-13 seconde. Une telle brièveté permet d’atteindre des puissances crêtes gigantesques, ce qui explique que ces sources lasers soient devenues des outils de choix dans de nombreux domaines de l’industrie (chirurgie ophtalmique) ou de la recherche (contrôle cohérent).

Malgré des durées d’impulsions bien plus brèves que les temps de réponse des dispositifs électroniques les plus rapides, la production, la caractérisation et la manipulation de telles impulsions nécessitent des techniques qui sont aujourd’hui bien maitrisées. C’est l’objectif de ce MODAL que d’initier les élèves aux techniques spécifiques à ce domaine de l’optique ultrarapide.

Objectifs et organisation
Un laser TSUNAMI délivrant des impulsions d’une durée d’environ 200 femtosecondes autour de 800 nm a été mis en place pour ce MODAL afin de permettre aux élèves de se familiariser avec une cavité laser femtoseconde et avec les éléments spécifiques qui la constituent. Le phénomène de verrouillage des modes indispensable à la production de telles impulsions sera observé et analysé d’un point de vue expérimental.

La caractérisation temporelle des impulsions ultrabrèves nécessite quant à elle l’emploi de méthodes optiques (et non électroniques), exploitant le plus souvent un processus d’optique non-linéaire comme le doublage de fréquence (dont un exemple est donné sur la figure 1 ci-dessous) avec lequel les élèves auront l’occasion de se familiariser. L’une de ces méthodes est l’autocorrélation interférométrique qui consiste à séparer l’impulsion incidente en deux (comme indiqué sur la figure 2) puis à mesurer le signal résultant de l’interaction non-linéaire entre les deux faisceaux en fonction du retard entre les deux impulsions. Un interféromètre de Michelson construit par des élèves de la promotion 2008 dans le cadre d’un PSC sera utilisé à cet égard. Ces mesures de durées d’impulsions permettront aux élèves d’appréhender les effets de la propagation linéaire d’une impulsion brève.

Figure 1 : Phénomène de doublage de fréquence d'un laser à 800 nm

Figure 2 : Dispositif d'autocorrélation interférométrique utilisé pour la mesure de durées d'impulsions ultrabrèves

La lumière possède des propriétés physiques étonnantes. Dans cet enseignement, nous allons explorer plus précisément ses propriétés de cohérence, qui permettent d'aller au-delà de la simple information d'intensité (celle que nous utilisons dans notre quotidien). Nous utiliserons le laser comme source de lumière cohérente et l'exploiterons pour la réalisation d'hologrammes. Après un apprentissage des techniques d'holographie analogique, numérique et interférométrique, les élèves sont incités à proposer un sujet d'étude pertinent, le plus souvent en fonction de leurs centres d’intérêt. Pour cela plusieurs outils seront à leur disposition : des plaques photographiques pour l'enregistrement des hologrammes, une caméra CCD haute-résolution pour l'holographie numérique, une matrice de micro-miroirs pour la modulation spatiale de la lumière. Les sujets d'études sont multiples : déformations d’un cristal piézoélectrique, vibrations d’un verre qui chante, cartographie 3D d'un objet, réduction des aberrations sur un faisceau laser et bien d'autres encore.

Figure 1 : Montage dit « de Gabor » pour un hologramme observable en transmission

Figure 2 : Franges d’interférence créées lors de la vibration d’une anche de clarinette à différentes fréquences d’excitation

Cet enseignement propose une approche de type « projet » sur un support. Il s’agit d’un véritable apprentissage de la méthodologie du chercheur : se poser un problème, déterminer si la technique expérimentale est adaptée à la mesure, faire des recherches bibliographiques, mettre au point un montage expérimental adapté et enfin exploiter les résultats (et éventuellement analyser les échecs).

Au cours de ce Modal, il sera possible de réaliser des montages d'holographie avec trois déclinaisons principales : l'holographie interférométrique, l'holographie numérique, la modulation spatiale de la lumière.

Pour la première, on entend l'usage de l'holographie pour la détection de déformations mécaniques ou thermiques à l'échelle du micron. Cette technique est très utilisée en industrie aéronautique pour la détection non destructive de micro-fissures.

Pour la deuxième, on entend l'usage d'une caméra CCD pour enregistrer les hologrammes. La reconstruction est alors numérique, on simule la propagation du champ électromagnétique par les lois de la diffraction. Cette méthode offre la possibilité d’appliquer des traitements numériques pour améliorer la qualité de l’image de l’objet reconstruit, compenser les aberrations du système ou encore changer la position du plan de reconstruction. Elle offre aussi l’avantage de permettre la reconstruction de l’interférogramme holographique en temps réel, et l’exploitation des résultats est donc immédiate. C’est d’ailleurs pourquoi la technique d’interférométrie holographique connaît un regain d’intérêt en milieu industriel.

Enfin pour la dernière, on entend l'usage d'une matrice de micro-miroirs pour la modulation spatiale et temporelle d'un faisceau lumineux. Grâce à cet instrument (qu’on trouve dans la dernière génération de vidéo-projecteurs) et l'optique de Fourier, il est possible de compenser les aberrations d'un système optique, de réaliser des motifs à deux dimensions à la demande ou encore d'étudier la transformation de Fourier sur des motifs non triviaux. Les élèves sont ainsi confrontés à des dispositifs expérimentaux différents, chacun avec ses propres limitations, qu’il est essentiel de comprendre et maîtriser pour mener à bien l’étude.

Figure 3 : Reconstruction numérique d’un hologramme constitué de deux pièces à des distances différentes

Le but de cet enseignement est de faire découvrir la physique fondamentale des lasers. En partant des principes constitutifs des milieux amplificateurs et des cavités laser, divers ateliers sont successivement présentés aux élèves : laser He-Ne, Diode laser, laser à colorant et mesure de front d'onde par méthode interférométrique.

Le principe du laser est analysé à l'aide d'une cavité laser He-Ne ouverte, qui permet une grande liberté d'étude. Tous les éléments peuvent être agencés librement. Le gain du milieu amplificateur est mesuré, la cavité alignée. De nombreuses études sont possibles, comme l'influence de la position des miroirs dans la cavité laser et encore l'étude des modes transverses et longitudinaux.

La diode laser est un remarquable exemple d'intégration opto-électronique. Elle est présente dans tous les lecteurs de DVD ou de Blu-ray. Bien que le principe laser soit le même, la diode laser possède des qualités uniques : principe de fonctionnement, comportement suivant l'intensité et la température, étude spectroscopique de la compétition entre mode.

Le laser à colorant est un laser spectaculaire par son caractère accordable, allant ainsi du vert à l'orange en passant par le jaune. Autour d'un laser de pompe nanoseconde, une séance lui est entièrement consacré et elle permet de comprendre tous les principes permettant la sélection d'une couleur et donc l'accordabilité.

Enfin, on caractérisera entièrement les propriétés géométriques du laser, à l'aide d'une expérience interférométrique de mesure du front d'onde. Cette expérience délicate, basée sur un interféromètre de Mach-Zhender, permet de mesurer le profil spatial en intensité et en phase du faisceau laser.

Figure : Laser à colorant

Le module d'Optique non linéaire permet de se familiariser avec les propriétés non linéaires de la lumière. Contrairement à l'optique géométrique habituelle où le comportement des matériaux est linéaire, l'optique non linéaire permet d'obtenir des effets étonnants, comme par exemple la génération de lumière verte à partir d'une source infrarouge, ou bien encore la modulation de l'intensité lumineuse ou de la phase par un champ électrique. L'optique non linéaire est utilisée massivement dans les trois principaux laboratoires d'optique de l'école : au LULI, LOA et LOB. Ses applications vont de la génération de rayonnement ultra bref et ultra intense dans l'ensemble de la gamme électromagnétique, à la réalisation de microscopes de dernière génération.

Le module est composé de la manière suivante : après une première séance orientée sur les concepts de base : biréfringence, symétrie cristalline, optique non linéaire, 4 séances sont consacrées à la génération de second harmonique, et 4 autres ensuite aux effets Pockels et Kerr.

De la lumière verte (532nm) est obtenue par focalisation d'un faisceau infrarouge de longueur d'onde double dans un cristal non linéaire de KDP. On observe dans quelles conditions le doublage de fréquence est observé : angle d'accord de phase, angle azimutal, intensité de la pompe, accord de phase non colinéaire, accord de phase de type I et II. Le cristal de KDP est placé dans un bain d'indice et peut donc être orienté dans toutes les directions.

La modulation de la lumière d'un laser est réalisée à partir d'une cellule de Pockels. Un champ électrique statique est appliqué sur un cristal de KD*P, avec pour conséquence une modification de la biréfringence du cristal. Cette cellule permet ainsi que de réaliser une modulation de la phase et de l'intensité d'un laser la traversant. La physique des cellules de Pockels longitudinales et transverses sera étudiée, ainsi également qu'une cellule Kerr. Ces principes seront appliqués à la réalisation d'une expérience permettant de transmettre un signal audio et vidéo à distance.

Figure 1 : Variation des franges d'interférence d'une cellule de Pockels, suivant une tension positive ou négative

Figure 2 : Transmission d'un signal vidéo sans fil par modulation Pockels

Responsable : Guilhem Gallot (LOB)
Moniteurs : Stella Dees (LOB) et Romain Granier (ONERA)

Les performances des fibres optiques pour propager un signal sur de longues distances en font une technologie essentielle des télécommunications aujourd’hui. La propagation guidée de la lumière donne lieu à une grande richesse de phénomènes – propagations de modes discrets, biréfringence, couplage de modes, polariseur à fibre, interféromètre à fibre - que nous allons explorer lors de ce modal.

Nous introduirons la physique de la propagation de la lumière dans un guide d’onde pour permettre aux étudiants de comprendre l’ensemble des expériences qu’ils réaliseront. Ce sera aussi l’occasion de mettre en pratique vos connaissances sur les lasers, sur le traitement du signal, et de réaliser un montage optique d’envergure. Nous nous attaquerons à la réalisation d’un gyromètre à fibre, capable de mesurer les vitesses angulaires grâce à un effet relativiste, appelé l’effet Sagnac. Cette technologie est relativement récente, mais les gyromètres à fibre sont déjà présents dans toute l’industrie, particulièrement en aéronautique. Ce modal est une occasion parfaite pour marier la compréhension physique d’un objet de haute technologie, son étude expérimentale, jusqu’à son application industrielle.

La supraconductivité est le phénomène par lequel un matériau, habituellement un métal, perd toute résistivité électrique en dessous d’une certaine « température critique », Tc. En même temps, le supraconducteur exclura tout champ électromagnétique de son intérieur, mis à part une fine couche surfacique, un phénomène appelé effet Meissner. On distingue les supraconducteurs de première espèce, dans lesquels la disparition de l’effet Meissner signale le retour à l’état métallique normal, des supraconducteurs de type II, dans lesquels l’état sans champ électromagnétique (l’état Meissner) est séparé de l’état normal par une phase mixte, dans laquelle le supraconducteur est traversé par des lignes de flux magnétique quantifié, ou vortex.

La température critique est, pour de nombreux supraconducteurs, peu élevée, de l’ordre de quelques Kelvin. Or, dans les oxydes à base de cuivre, les cuprates, la température critique peut atteindre jusqu’à 135 K.

Si la supraconductivité en tant que phénomène est déjà plus que centenaire, de nouveaux matériaux supraconducteurs sont découverts tous les ans. De même, si la théorie de la supraconductivité, établie en 1957 par Bardeen, Cooper, et Schrieffer, décrit la supraconductivité des éléments et de nombreux composés binaires de manière remarquable, et dans absolument tous les détails, la supraconductivité à haute température critique dans les cuprates reste énigmatique.

La supraconductivité reste donc un terrain de recherche passionnant et fructueux. Le module expérimental « Supraconductivité » propose de découvrir sa phénoménologie. Les élèves préparent leurs propres cuprates supraconducteurs, dont ils étudient ensuite l’effet Meissner et l’effet de lévitation magnétique. On propose ensuite d’effectuer la mesure de Tc par des mesures magnétiques. Le Module expérimental comprend donc une part importante de manipulations à basses températures.

En prenant une approche qui est résolument celle de la science des matériaux, le module expérimental donne en même temps l’occasion de découvrir des techniques importantes de caractérisation telle que la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage. Les élèves apprennent à utiliser ces méthodes en les appliquant à la caractérisation des matériaux qu’ils ont eux-mêmes préparés. Ils apprennent également l’influence de la morphologie des matériaux (monocristallin, polycristallin, couche mince) sur les propriété physiques.

Le Module expérimental est habituellement clos par une série de quatre séances plus personnalisées. Dans ces séances, on pourra étudier la pénétration du champ magnétique dans les supraconducteurs de deuxième type en appliquant la méthode magnéto-optique de visualisation. Selon le choix des élèves, on étudiera le courant critique, c’est-à-dire le courant électrique maximal que le supraconducteur peut porter avant l’apparition de dissipation par effet Joule, ou encore la disparition de la résistivité. Il est également possible d’étudier d’autres systèmes supraconducteurs, tels que les supraconducteurs à base de fer découverts récemment, ou des nouvelles phases de cuprates.     

Le Module expérimental s’étale sur 9 séances, avec un oral d’entrainement à mi-parcours.

Figure 1 : Disparition de la résistance (en ordonnée) d’une couche mince d’YBa2Cu3O7 à la température critique Tc

Figure 2 : Lévitation d’un bloc d’YBa2Cu3O7 supraconducteur au dessus d’une piste d’aimants NdFe14B

Figure 3 : Pénétration du flux magnétique dans une couche mince d’YBa2Cu3O7, telle qu’observée en utilisant la méthode magneto-optique de visualisation.

Figure 4 : Étude d’une céramique d’YBa2Cu3O7 par la méthode magnéto-optique de visualisation.

Les semi-conducteurs, comme le Silicium ou le Germanium, sont des matériaux qui à l'état pur ne sont ni des bons isolants ni de bons conducteurs d'électricité. On peut néanmoins faire varier par plusieurs ordres de grandeurs la conductivité d'un semi-conducteur par des faibles perturbations (incorporation d'une faible quantité d'impuretés, application d'une tension électrique, éclairage avec de la lumière), et cette flexibilité fait de ces matériaux la brique de base de la micro et opto-électronique permettant de fabriquer des dispositifs tels que des transistors, des diodes électroluminescentes (LEDs), des lasers à semi-conducteurs, des capteurs CCD ou encore des cellules solaires.

De ce fait, ces matériaux sont d’une importance primordiale dans l’économie d’aujourd’hui, notamment pour l’industrie de la microélectronique et du photovoltaïque. Malgré le poids de ces industries, les semi- conducteurs ont encore de nombreux mystères à révéler, et restent un sujet de recherche extrêmement actif. Le LPICM est un laboratoire de pointe dans l’étude des semi-conducteurs couches minces pour utilisation sous forme de cellules photovoltaïques.

Pendant le module expérimental, les étudiants bénéficieront d’une introduction théorique et pratique aux semi-conducteurs, qui leur permettra de découvrir les propriétés de ces matériaux, ainsi que les modes de fabrication. Ils seront tout particulièrement sensibilisés aux procédés plasmas, incontournables dans l’univers des semi-conducteurs. Ils seront également amenés à fabriquer eux-mêmes des cellules photovoltaïques, dont la caractérisation permettra de mieux appréhender les propriétés des matériaux mis en jeux.

A la fin du module, les étudiants seront à même de comprendre les dispositifs à base de semi-conducteurs, ainsi que les enjeux majeurs de l’industrie photovoltaïque.

Dans ce module expérimental, nous allons lever le voile sur l'énigme des couleurs des nanoparticules, c'est-à-dire des particules des tailles nanométriques. Les couleurs des nanoparticules, ou plus généralement leurs propriétés optiques, sont exploitées dans des disciplines aussi variées que la physique, la chimie, la biologie, et la médecine.

Ces couleurs ne correspondent pas en général à la couleur du matériau dont elles sont constituées. Pour donner un exemple, l'or sous sa forme macroscopique est jaune, mais les nanoparticules constituées d'or peuvent par exemple être rouges, vertes ou bleues. Il se trouve que c'est surtout la forme de ces nanoparticules, ainsi que dans une moindre mesure leur taille, qui déterminent leur couleur. On parle alors de "résonances plasmoniques". Nous allons étudier ce phénomène de manière expérimentale et le comprendre du point de vue théorique.

Mais les couleurs des nanoparticules peuvent également être dues à deux autres mécanismes, appelés "fluorescence" et "phosphorescence". La nanoparticule devient alors une source de lumière, et la couleur de cette lumière est souvent déterminée par le matériau avec lequel elle est dopée, c'est-à-dire dont elle ne contient qu'une petite quantité. Nous allons également étudier et comprendre ces phénomènes, et en explorer des applications.

Nous allons nous servir de différents instruments de recherche hautement performants dans ce module expérimental. Nous utiliserons par exemple un microscope électronique à balayage, capable de discerner des détails deux cents fois plus petits que le microscope optique et de faire une étude chimique des matériaux sans contact. Nous découvrirons également le microscope électronique en transmission, capable de visualiser les atomes dans le matériau étudié ainsi que leur arrangement. Ces instruments sont indispensables pour l'étude du monde nanométrique (les nanosciences) et pour le développement des applications à l'échelle du nanomètre (la nanotechnologie) qui sont deux domaines au cœur de la recherche actuelle.

Figure : La résolution en imagerie du microscope électronique  en transmission peut atteindre la résolution atomique. L'image montre des colonnes atomiques (taches blanches) dans une nanoparticule métallique (échelle : approximativement 8nm x 8nm).   

Contexte et objectifs :

La transition d’un écoulement en régime laminaire vers un régime chaotique ou turbulent se fait via plusieurs instabilités hydrodynamiques conduisant à des régimes d’écoulements intermédiaires. Les instabilités hydrodynamique sont un sujet très riche aux frontières entre divers domaines scientifiques (mécanique, physique, chimie…). Dans ce modal, nous proposons d’étudier avec le regard de physiciens des systèmes hydrodynamiques simples en se plaçant soit dans un régime dit laminaire et d’en étudier l’évolution, soit en régime de turbulence déjà établie. Nous proposons plusieurs systèmes expérimentaux qui serviront de base pour le modal.

Organisation :

Les 3 ou 4 premières séances seront consacrées à la prise en main des systèmes expérimentaux ainsi qu’à l’apprentissage des méthodes d’analyse des phénomènes observés. A l’issue de ces séances, les élèves détermineront le sujet qu’ils souhaiteront étudier de manière approfondie. A mi-parcours, il est proposé aux élèves de faire un exposé de l’état d’avancement de leurs travaux ainsi que leur perspective, ceci a pour but de préparer l’oral à la fin du MODAL.

Les bases nécessaires pour la compréhension du modal sont introduites en cours de séance.

Aperçu ci-dessous  : 2 exemples de systèmes proposés.

Étude de réseaux de tourbillons (uni ou bi-dimensionnels)

Deux systèmes expérimentaux sont proposés : une ligne de tourbillons (corotatifs ou contrarotatifs) ou un réseau bidimensionnel de tourbillons. Les écoulements sont générés grâce aux forces de Laplace. Le fluide est ionique (eau salé) et le forçage est fait en disposant un réseau d’aimants sous la cellule couplé à un courant électrique dans le liquide.

Selon la puissance électrique injectée, on obtient des écoulements plus ou moins ordonnés. Dans le cas de la ligne de tourbillons, on pourra étudier l’apparition de régimes oscillants et en particulier l’effet des interactions courtes ou moyennes distances entre tourbillons. Dans le cas du réseau 2D, on peut s’intéresser à la dynamique de tourbillons.

Ces systèmes ouvrent sur une grande variété de projets : transition vers le chaos, diffusion de colorant dans des régimes plus ou moins turbulent, dynamique de tourbillons (appariements, collisions, comportements collectifs….), régimes turbulents.

Gouttes rebondissantes

Des expériences récentes ont montré la possibilité qu'ont des gouttes d'un fluide de rebondir sur un bain de ce même fluide, lorsque ce dernier oscille verticalement. Les oscillations du bain de fluide empêchent la coalescence de la goutte en effet , elles permettent de renouveler à chaque rebond le film d'air se trouvant entre la goutte et le bain.

Une fois en état de rebond, la goutte déforme le milieu : des ondes amorties apparaissent et perturbent la surface du bain. La goutte va pouvoir adopter différents types de comportements, en terme de périodicité du rebond, de marche spontanée en ligne droite à la surface du liquide. On peut montrer que le comportement des gouttes peut être discuté dans certains régimes en terme d’onde-particule. Dans un premier temps, les différents régimes seront identifiés avant de se focaliser vers un approfondissement choisi par les élèves. (en photos : le système expérimental et une photo de goutte rebondissant à la surface du liquide).

Des polymères aux solutions de tensioactifs, en passant par les élastomères, les gels, les cristaux liquides, les suspensions de particules et les mousses, la matière molle désigne tous les matériaux qui répondent fortement à une sollicitation externe, en particulier du point de vue mécanique. C’est un domaine de recherche très fortement connecté aux applications, à l’industrie, à la matière vivante et à la vie de tous les jours. Comment concevoir un bon adhésif ? Qu’est-ce qui stabilise une mousse au chocolat ? Comment contrôler la taille des gouttes dans un aérosol ? Comment le savon nous aide-t-il à faire la vaisselle ? Comment une cellule vivante se déplace-t-elle sur une paroi ? Ces questions et bien d’autres sont du ressort de la matière molle.

Le Modal de « Matière molle » s’attachera à explorer au laboratoire des phénomènes physiques en lien avec l’hydrodynamique des interfaces en travaillant sur des systèmes modèles avec un faible nombre de paramètres. Ceux-ci rendent ainsi possible la compréhension des mécanismes élémentaires à l’œuvre dans des systèmes plus complexes.

Nous proposons à des étudiants très motivés de contribuer à de réels projets de recherche au laboratoire. Les étudiants mettront au point les expériences, enregistreront des mesures à l’aide de photographie ou de vidéo ultra-rapide, et développeront des modèles en loi d’échelle permettant d’extraire les phénomènes physiques essentiels à la compréhension des expériences. Le projet se déroulera au sein de l’équipe « Hydrodynamique aux interfaces » du laboratoire LadHyX.

Nous mettrons également particulièrement l’accent sur la transmission des résultats obtenus. Une présentation orale des résultats obtenus sera organisée en cours de Modal.

Nous proposerons des sujets autour de l’hydrodynamique des interfaces. Ces dernières années, les étudiants s’étaient par exemple penchés sur :

• la manipulation magnétique de gouttes d’oxygène liquide en caléfaction.
• les mouvements de goutte en caléfaction sur des surfaces texturées.
• l’auto-propulsion, les rebonds, l’éclatement de gouttes induits par des gradients de confinement.
• la détergence dans un milieu confiné.
• les mouvements de gouttes sur des fibres.

Figure 1 : vue du dessus de la trajectoire d’une goutte d’oxygène liquide en caléfaction, en orbite autour d’un aimant (photo Keyvan Piroird)

Figure 2 : quelques étapes de l’éclatement d’une bulle de savon de 5 cm de diamètre. La durée totale de l’ouverture est de l’ordre de quelques ms.
 

Contexte et objectifs

L'objectif de cet enseignement est de faire découvrir le phénomène de résonance de plasmons de surface [1] qui sont des oscillations collectives des électrons de conduction dans les métaux. Les applications de ce phénomène sont nombreuses, du développement de capteurs biologiques à la création de circuits photoniques miniatures. Deux expériences seront proposées aux étudiants. Le but de la première est d’étudier par spectroscopie la résonance de plasmons de surface. La seconde expérience vise à utiliser la désexcitation de plasmons de surface pour créer un gradient
de tension de surface et déplacer des gouttelettes par effet Marangoni. Ces deux expériences seront menées avec une grande autonomie en s'appuyant sur la bibliographie existante.

Spectroscopie de plasmons de surface

Cette expérience permet d'étudier le phénomène de résonance de plasmons de surface et d'appréhender comment il peut être exploité pour réaliser des capteurs. Une première expérience simple permettra de voir qu'une couche nanométrique d'or déposée sur un prisme peut apparaitre rouge, orange ou bleue selon l'angle d'incidence d'observation et l'épaisseur de la couche d'or.
Il faudra ensuite réaliser un montage plus complexe permettant de mesurer l’angle de résonance dans un large spectre. La figure 4 montre le type d’image qui devrait être obtenu ; la ligne sombre correspond à la courbe de dispersion des plasmons de surface. Ce montage sera ensuite utilisé pour réaliser des capteurs simples. On étudiera notamment l'influence sur la résonance de la température ambiante ou du dépôt de différents liquides sur la couche d'or.

Figure 1 :  Observation de la résonance de plasmons de surface. L’abscisse correspond à l’angle d’incidence, l’ordonnée à la longueur d’onde. La raie sombre indique la résonance.

Effet Marangoni contrôlé par désexcitation de plasmons de surface

Cette seconde expérience permet d’étudier l’effet Marangoni induit par la diffusion de plasmons de surface. L’effet Marangoni décrit le transport de la matière le long d’un gradient de tension superficielle [12]. Ici, on exploite le fait que la tension superficielle dépend de la température et on utilise la diffusion de plasmons de surface pour créer un gradient de température (et donc de tension de surface) pour déplacer une gouttelette [17]. Le montage réalisé devrait permettre de déplacer de fusionner ou de scinder des gouttelettes, comme illustré sur la figure 2.  Cette technique pourra également être utilisée pour trier des espèces chimiques ayant des tensions de surface différentes.

Figure 2 : Exemple de manipulation de gouttelette. Une gouttelette est coupée en deux, puis une partie est déplacée. La tache lumineuse est produite par la diffusion des plasmons de surface.

[1] R. H. Ritchie. Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev., 106 :874–881, Jun 1957.
[2] L. E. Scriven and C. V. Sternling. The marangoni effects. Nature,187(4733) :186–188, 07 1960.
[3] R. H. Farahi, A. Passian, T. L. Ferrell, and T. Thundat. Marangoni forces created by surface plasmon decay. Opt. Lett., 30(6) :616–618, Mar 2005.