master 2 recherche physique

MASTER 2 RECHERCHE PHYSIQUE
PROPOSITION DE STAGE
TITRE Modélisation de méta-surfaces pour de nouveaux effets visuels
LABORATOIRE Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N)
RESPONSABLE(S) Philippe LALANNE, Kevin VYNCK
CONTACT
Téléphone e-mail
05 57 01 72 01 [email protected]
RESUME DU SUJET DE STAGE
Manipuler l'apparence des surfaces en contrôlant leur composition est un défi scientifique de
grande ampleur avec un impact sociétal potentiellement très fort, allant de la réalité virtuelle
(production de films et de jeux vidéo) à la sécurité (p. ex., billets de banque), en passant par
le design d'interieur. Nous proposons d'exploiter la richesse des propriétés optiques de
surfaces nanostructurées appelées “méta-surfaces” pour générer de nouveaux effets visuels.
Nous envisageons notamment la possibilité de concevoir des surfaces qui changent de
couleur en fonction de l'angle suivant lequel on les regarde, ou encore des surfaces qui ont
l'apparence de certains tissus (p. ex., la soie) alors qu'elles sont constituées essentiellement
de métal.
Pour ce faire, il est essentiel d'établir le lien entre la nanostructuration des méta-surfaces
(arrangements contrôlés de nano-résonateurs métalliques) et leur apparence dans des
conditions d'illumination réelles. Ceci demande de pouvoir modéliser la réponse
électromagnétique de méta-surfaces variées et de coupler les propriétés optiques obtenues
à des algorithmes de rendus pour la représentation d'objets nanostructurés dans des scènes
virtuelles. Notre objectif final est celui d'établir les premières règles de conception de méta-
surfaces pour des apparences nouvelles et de démontrer expérimentalement une telle méta-
surface. Le projet dans son ensemble, projeté sur plusieurs années, est construit autour de
deux équipes au sein du LP2N, l'une étant spécialisée en modélisation électromagnétique (P.
Lalanne), l'autre en réalité virtuelle (X. Granier).
Le stage que nous proposons marquera le début de ce nouveau projet de recherche. Il
s'adressera essentiellement à l'aspect modélisation électromagnétique et il aura pour but
d'établir le lien entre les propriétés optiques de la méta-surface et les quantités nécessaires
à leur rendu dans des scènes virtuelles (p. ex., la “BRDF”). En pratique, le/la stagiaire devra
développer un code numérique permettant de traiter une large gamme de méta-surfaces, sur
la base de codes déjà existants dans l'équipe de recherche.
Le stage a la possibilité de déboucher sur une thèse de doctorat, menée en collaboration
entre les deux équipes de recherche mentionnées ci-dessus. Les équipes ont déposé deux
propositions de projets aux niveaux français et européen pour obtenir le financement qui
couvrirait la thèse, en cas d'absence de bourse ministérielle.

MASTER 2 RECHERCHE PHYSIQUE
PROPOSITION DE STAGE
TITRE
Extraction de la lumière avec des nanoparticules métalliques
LABORATOIRE
Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N)
RESPONSABLE(S)
Philippe LALANNE
CONTACT
Téléphone
e-mail
0621616392
[e-mail]
RESUME DU SUJET DE STAGE
Il est difficile de surestimer l’importance des problèmes de couplage-découplage entre
l’espace libre et les ondes guidées en photonique. Ce stage, qui fait suite à une thèse CIFRE
avec la société Saint Gobain sur l’extraction de la lumière dans les OLEDs, a pour objectif de
démontrer la possibilité d’extraire efficacement la lumière émise par des fluorophores
enterrées dans une membrane mince grâce à des ensembles désordonnés de
nanoparticules métalliques disposés en surface du polymère. La figure ci-dessous illustre le
problème.
Le stage a un objectif précis, mais touche une problématique d’envergure. A son
arrivée, le stagiaire disposera d’un échantillon fabriqué dans la centrale de nanotechnologie
X-IOGS-Thalès à Palaiseau par Buntha Ea-Kim. L’échantillon sera composé d’une
membrane de polymère dopée (épaisseur ≈200 nm) sur laquelle seront lithographiés des
ensembles de nanodisques métalliques de différentes densités. Deux types de répartitions
seront étudiés, des répartitions complètement aléatoires (le désordre est total) et des
répartitions présentant un ordre à courte distance pour lequel des calculs complexes et non
convaincants prédisent une meilleure extraction.
Le stagiaire devra concevoir et monter un banc de caractérisation permettant une
mesure précise de l’efficacité d’extraction en fonction de la densité et du type de désordre. Il
disposera aussi d’outil de simulations pour interpréter ses résultats expérimentaux.
Finalement, il interagira en tant que « théoricien numéricien » avec un postdoc SGR
travaillant au CRPP (équipe S. Ravaine) pour interpréter des mesures similaires effectuées
directement sur des LEDs organiques.
Le stage présente donc un caractère essentiellement expérimental et finalisé. Nous
souhaitons recruter quelqu’un de compétent et motivé pour relever le défi posé par une
mesure classique mais qui reste difficile en particulier dans la situation présente où la pompe
interagit aussi avec les nanostructures. Le stage sera très probablement suivi par une offre
de thèse sur un sujet connexe en relation avec l’ingénierie du désordre et la
nanophotonique.

MASTER 2 RECHERCHE PHYSIQUE
PROPOSITION DE STAGE
TITRE Propriétés optiques exotiques de nanoparticules complexes placées
dans des empilements de couches minces
LABORATOIRE Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N)
RESPONSABLE(S) Kevin VYNCK, Philippe LALANNE
CONTACT
Téléphone e-mail
05 57 01 72 48 [email protected]
RESUME DU SUJET DE STAGE
Contrôler l'interaction de la lumière avec des objets de taille nanométrique est un des fers de
lance de la photonique moderne. Avec le développement de techniques de nanofabrication,
la dernière décennie a donné lieu à une prolifération de nanoparticules optiques de forme et
de composition variées, possédant des propriétés optiques inattendues. Par exemple, on
arrive à créer des nanoparticules qui diffusent très fortement la lumière à des longueurs
d'onde ajustables sur tout le spectre visible et avec une directivité contrôlable. De plus,
lorsque ces nanoparticules sont placées aléatoirement dans un empilement de couches
minces, de nouveaux phénomènes optiques peuvent apparaître dû à l'interaction de la
nanoparticule avec la géométrie et à l'interaction des nanoparticules entre elles, par
exemple, un fort confinement de la lumière dans de petits volumes ou une extraction très
efficace de la lumière confinée dans la structure vers l'espace libre. Ces systèmes
complexes ont un très fort potentiel scientifique et technologique.
A ce jour, cependant, force est de constater que
la compréhension physique de ces
nanostructures reste très limitée. Ceci est dû en
grande partie à la difficulté de modéliser ces
systèmes complexes, qui mêlent nanoparticules
optimisées et désordre structurel. Notre équipe
de recherche à l'ambition de développer les
outils théoriques et numériques qui permettront
de modéliser et de concevoir des nanostructures
complexes possédant des propriétés optiques
exotiques. Nous comptons également valider
expérimentalement les modèles et outils
développés en mesurant les propriétés optiques
de telles nanostructures.
Le stage s'inscrit dans cette dynamique. Le stagiaire pourra ainsi aborder des concepts
avancés en modélisation électromagnétique et participer au développement de codes de
calculs numériques nouveaux et/ou au montage de bancs de mesures optiques pour tester
les nanostructures fabriquées par nos collaborateurs. Ce projet est un des sujets phares de
l'équipe pour les années à venir et il fera vraisemblablement l'objet d'une thèse de doctorat
qui débuterait en Octobre 2015. Deux propositions de projet ont été déposées à l'Agence
Nationale de la Recherche (ANR) pour obtenir un financement conséquent.
Example d'une nanostructure complexe. Des
nanocubes métalliques sont placés sur un
empilement de couches minces métallo-
diélectriques. Les nanoparticules interagissent
entre elles (lignes vertes) et avec la géométrie
(ellipses rouges).

MASTER 2 RECHERCHE PHYSIQUE
PROPOSITION DE STAGE
TITRE
Regarder la formation de vaisseaux sanguins in vitro
LABORATOIRE
LP2N
RESPONSABLE(S)
Pierre Nassoy et Dan Strehle
CONTACT
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05 57 01 72 09
[e-mail]
RESUME DU SUJET DE STAGE
Nous avons récemment développé une plateforme de production contrôlée de sphéroïdes
multicellulaires. Ce sont des agrégats de cellules cancéreuses qui permettent de mimer le
comportement et la croissance de micro-tumeurs. La technologie est inspirée d’une création
culinaire, les Perles de Saveur. Elle repose sur l’utilisation d’un dispositif microfluidique de
co-extrusion et permet d’encapsuler des cellules, puis de cultiver des sphéroïdes d’une
centaine de microns de rayon. Une extension de la méthode permet de former des
monocouches de cellules refermées sur elles-mêmes dans une géométrie sphérique (cyste) ou
cylindrique (vaisseau). Nous souhaitons exploiter cette nouvelle technologie d’ingénierie de
tissus (sains ou pathologiques) in vitro pour mener une étude biophysique des mécanismes de
morphogénèse des vaisseaux sanguins.
Pour mener à bien ce projet, pluridisciplinaire, il est nécessaire de développer une technique
d’imagerie permettant de visualiser la croissance (lente) du tissu dans sa globalité, sans la
perturber (donc à faible phototoxicité), de suivre l’organisation cellulaire au sein du tissu,
mais aussi d’étudier les dynamiques rapides d’évènements moléculaires à l’intérieur de
cellules individuelles. Nous avons développé un microscope à feuillet de lumière adapté à la
géométrie et aux contraintes biologiques et optiques des échantillons vivants étudiés. Le stage
sera dédié à la validation du dispositif, aux premières expériences et au développement de
procédures quantitatives d’analyse d’images.

MASTER 2 RECHERCHE PHYSIQUE
PROPOSITION DE STAGE
TITRE
Les nanotubes de carbone comme nouvelles sondes dynamiques de la
structure de tissus vivants : applications en neurologie
LABORATOIRE
LP2N
RESPONSABLE(S)
Laurent Cognet, DR
CONTACT
Téléphone
e-mail
05 57 01 72 07
[e-mail]
RESUME DU SUJET DE STAGE
La détection de molécules individuelles a permis des avancées majeures pour l’étude
de milieux complexe biologiques. Elle est généralement basée sur l’emploi de nano-
marqueurs fluorescents. Ils souffrent néanmoins de limitations sérieuses (faible durée de vie
des fluorophores ou encombrement stérique des nanoparticules). Elle souffre également de
l’impossibilité actuelle de détecter des molécules individuelles dans des échantillons vivants
épais en raison de l’importance de l’autofluorescence cellulaire dans le domaine visible. Dans
ce contexte, il est nécessaire de disposer de nano-marqueurs ayant des réponses optiques dans
le proche infrarouge où l’interaction de la lumière avec la matière vivante est minimale.
L’objectif de ce projet est de développer de nouvelles stratégies optiques ultrasensibles
fonctionnant dans le proche infrarouge. Nous utiliserons des nanotubes de carbone détectés à
l’échelle de l’objet individuel dans des milieux biologiques complexes épais et étudierons les
modes de diffusion de ces objets unidimentionnels uniques, telle la reptation dans des
systèmes modèles biocompatibles et dans des tranches de cerveaux vivants. Ces méthodes
permettront ainsi de sonder directement le parcours des nanotubes de carbone au sein de tissus
de cerveaux sains ou dans des modèles de maladie de Parkinson et Alzheimer afin d’en
étudier la structuration nanométrique en 3D. Ce travail se placera dans la perspective de
développement de l’étude de la rhéologie locale du cerveau et sera effectué en collaboration
directe avec des collègues neurophysiologistes et neuropathologistes du campus bordelais.
Références
Heine et al Science 2008 ; Fakhri et al Science 2010
Collaborations : Laurent Groc (Institut Interdisciplinaire des Neurosciences, Bordeaux),
Erwan Bezard (Institut des Maladies Neurodégénératives, Bordeaux)