Thèse une Nano-Antenne Mécanique de Type Afm au Service de la Microscopie Brillouin H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : CBS - Centre de Biologie Structurale Direction de la thèse : Luca COSTA ORCID 0000000245270034 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 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 (532 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. La microscopie Brillouin est une technique optique non invasive permettant de sonder les propriétés mécaniques à haute fréquence (GHz) via l'interaction lumière-phonons (diffusion inélastique). Cependant, elle reste limitée par la longuer d'onde des phonons acoustiques à une résolution micrométrique (au mieux des centaines de nanométres), insuffisante pour explorer l'hétérogénéité nanométrique des systèmes biologiques et des matériaux mous.

En parallèle, la microscopie à force atomique offre une résolution nanométrique et une sensibilité mécanique locale, mais à des fréquences basses (kHz-MHz) et avec un contact invasif. Le couplage de ces deux approches ouvre une voie nouvelle : utiliser la pointe AFM comme antenne mécanique nanométrique, capable de confiner et d'amplifier les excitations acoustiques locales détectées optiquement.

Cette approche s'inscrit dans la continuité des techniques « tip-enhanced et tip-assisted » (TERS, TEPL), mais transpose le concept au domaine de la spectroscopie Brillouin, encore largement inexploré. Elle permettrait de franchir une limite fondamentale de la microscopie Brillouin en combinant résolution nanométrique et information mécanique à haute fréquence, avec des applications majeures en biophysique et science des matériaux. - Développer une approche de spectroscopie Brillouin couplée à la microscopie à force atomique (AFM), permettant d'atteindre une résolution spatiale nanométrique grâce à la modulation locale des phonons acoustiques induite par la pointe.
- Exploiter la pointe AFM comme une antenne mécanique nanométrique, capable de confiner, amplifier et perturber les modes acoustiques à des échelles inférieures à leur longueur d'onde.
- Accéder aux propriétés mécaniques locales à haute fréquence (modules élastiques mesurés par Brillouin) dans des systèmes biologiques hétérogènes, et les comparer aux propriétés mécaniques quasi-statiques (module de Young, mesuré par AFM), afin d'obtenir une caractérisation mécanique sur une large bande spectrale.
- Appliquer cette approche à des systèmes biologiques vivants, en particulier des cellules, pour explorer leur hétérogénéité mécanique à l'échelle nanométrique. - Développement d'un montage hybride combinant AFM et spectroscopie Brillouin (VIPA).
- Alignement d'un faisceau laser (532 nm) focalisé au voisinage de la pointe AFM.
- Utilisation de la pointe comme élément de diffusion et de confinement des modes acoustiques locaux: l'intensité de la diffusion de Brillluoin sera demodulé par un lock-in amplifier à la frequence d'oscillation (eventuelllement à la deuxième harmonique) du levier AFM en mode de modulation d'amplitude.
- Optimisatioion du changement locale de la diffusion Brillouin en fonction de l'amplitude d'oscillation de la pointe AFM et de l'interaction pointe-échantillon.
- Optimisation d'autres paramètres expérimentaux : angle d'incidence sur VIPA, collimation, géométrie pointe-échantillon.
- Analyse spectrale des décalages Brillouin pour extraire les propriétés mécaniques locales.
- Validation sur systèmes modèles (polymères, gels Agar), puis extension à systèmes biologiques.

Le/La candidat(e) devra présenter un fort intérêt pour la physique expérimentale à l'interface avec la biophysique et les nanosciences.
Une formation en optique, photonique ou physique de la matière condensée est attendue.

Compétences techniques:
Connaissances en optique expérimentale (alignement laser, systèmes d'imagerie)
Notions en spectroscopie Brillouin et/ou Raman (apprécié mais non obligatoire)
Notions en microscopie à force atomique (AFM) ou techniques de sondes locales
Bases en instrumentation scientifique et traitement du signal
Compétences en analyse de données (Python, Matlab ou équivalent)

Compétences scientifiques:
Compréhension des interactions lumière-matière et des excitations acoustiques (phonons)
Intérêt pour la mécanique des matériaux mous et/ou systèmes biologiques
Capacité à travailler sur des problématiques multi-échelles et multi-fréquences

Qualités personnelles:
Autonomie et rigueur expérimentale
Capacité à développer et optimiser des montages complexes
Esprit critique et capacité d'analyse
Goût pour le travail interdisciplinaire (physique-biologie)

• Science des matériaux