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Microscopie optique en champ proche (SNOM)

Une des tendances actuelles de la microscopie optique en champ proche « à ouverture » (NSOM comme Near-Field Optical Microscopy) concerne le développement de sondes actives obtenues en rapportant un nano-objet fluorescent en bout de pointe optique. La fluorescence générée est utilisée comme nano-source de lumière susceptible d’offrir une résolution meilleure que 10 nm, limitée par la taille du nano-objet actif, domaine où une nouvelle spectroscopie devrait émerger. De telles sondes peuvent aussi être utilisées pour amener une excitation lumineuse en un point précis, contrôlé à l’échelle du nanomètre, par exemple à proximité d’un autre nano-objet optiquement actif (transfert d’énergie) ou d’une nanostructure plasmonique.

Dispositif expérimental complet permettant la sélection optique d’un nanodiamant, son accroche en bout de pointe optique, toutes les caractérisations optiques nécessaires (ex : spectroscopie, corrélation de photons) et ultérieurement, des expériences d’optique ou plasmonique avec la sonde active.

Parmi les nano-objets de prédilection pour de telles sondes actives, les nanodiamants occupent une place de choix, grâce à leur petite taille (env. 20 nm) et à l’exceptionnelle photostabilité des centres colorés NV (Nitrogen-Vacancy) qu’ils peuvent héberger. De plus, lorsque ces centres sont en nombre limité (quelques unités), ils conférent à la sonde active un caractère de source quantique de lumière. Nous avons développé une méthode simple « toute optique » permettant de rapporter un nanodiamant unique, préalablement sélectionné, à l’apex d’une pointe optique dans le but de réaliser des nanosources quantiques de lumière qui soient opérationnelles à température ambiante, aient le potentiel pour offrir une super-résolution optique, et puissent être utilisées dans des expériences de plasmonique quantique. La nature quantique de la sonde active ainsi réalisée est attestée par la fonction de corrélation du second ordre de l’intensité émise en fonction du temps.

Un exemple d’accroche d’un nanodiamant en bout de pointe optique et de caractérisations spectroscopique et en corrélation de photons de la sonde obtenue. Ici, le nanodiamant héberge un seul centre NV et la sonde active est une sonde « à photons uniques ».

D’autres objets très intéressants, car eux aussi très photostables, peuvent être utilisés comme des nanoparticules de YAG dopées au Cerium trivalent (Ce3+). Ici, le grand nombre d’émetteurs Ce3+ interdit l’approche quantique, mais confère aux sondes actives une bonne luminosité qui est mise à profit dans des expériences d’imagerie ou de couplage à des résonateurs plasmoniques.

Chercheurs :

- Permanents : Aurélien Drezet, Serge Huant
- Doctorants : Oriane Mollet, Aurélien Cuche (maintenant chercheur CNRS à Toulouse)

Publications :

Diamond nanocrystals hosting single NV color centers sorted by photon-correlation near-field microscopy Y. Sonnefraud, A. Cuche, O. Faklaris, J.-P. Boudou, T. Sauvage, J.-F. Roch, F. Treussart, S. Huant Opt. Lett. 33, 611 (2008). Lien vers arXiv.

Fluorescent oxide nanoparticles adapted to active tips for near-field optics A. Cuche, B. Masenelli, G. Ledoux, D. Amans, C. Dujardin, Y. Sonnefraud, P. Mélinon, S. Huant Nanotechnology 20, 015603 (2009). Lien vers arXiv. Voir aussi Nanotechweb.

Near-field optical microscopy with a nanodiamond-based single-photon tip A. Cuche, A. Drezet, Y. Sonnefraud, O. Faklaris, F. Treussart, J.-F. Roch, S. Huant Opt. Express 17, 19969 (2009). Lien vers Optics Express. Voir aussi Nanotechweb.

Grafting fluorescent nanodiamonds onto optical tips A. Cuche, A. Drezet, J.-F. Roch, F. Treussart, S. Huant J. Nanophoton. 4, 043506 (2010). Lien vers arXiv.

Near-field microscopy with a single-photon point-like emitter : Resolution versus the aperture tip ? A. Drezet, A. Cuche, S. Huant Optics Comm. 284, 1444 (2011).

Collaborations :

- ENS Cachan : François Treussart et Jean-François Roch.
- LPMCN et LPCML, Lyon : Bruno Masenelli (maintenant à INSA Lyon), Patrice Mélinon, Christophe Dujardin et Gilles Ledoux.
- ISMO, Orsay : Gérald Dujardin, Geneviève Comtet et Elizabeth Boer-Duchemin.
- Ecole Polytechnique, Palaiseau : Thierry Gacoin et Géraldine Dantelle.

Financements :

- ACI Nanosciences (2004-2007)
- Cluster Micro-Nano, Région Rhône-Alpes (2004-2007)
- ANR Pnano NAPHO (2009-2012)

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