Thèse dirigée par Thierry Guillet et Christelle Brimont

Les interactions entre les excitons, particules bosoniques composées d'un électron et d'un trou liés par l'interaction coulombienne, et les photons sont grandement améliorés dans les guides d'ondes où la lumière est confinée par réflexion totale interne. Lorsque l'interaction est suffisamment importante, le régime de couplage fort entre le mode photonique du guide et la résonance excitonique de la couche active est atteint, créant ainsi une quasi-particule connue sous le nom d'exciton-polariton, ou simplement polariton. Ces fluides quantiques de lumière suscitent un grand intérêt en raison de leur potentiel d'applications en optoélectronique, en particulier dans les lasers dits à polaritons. Dans cette optique, cette thèse se focalise sur l'étude, par des méthodes de spectroscopie, de structures lasers à polaritons en géométrie guide d'onde à base de nitrure de gallium (GaN), qui présentent des spécificités intéressantes en comparaison de leurs homologues en géométrie de cavité verticale intensément étudiées. Les principaux résultats de ce travail sont (i) la démonstration d'un laser à polaritons fonctionnant en régime continu à basse température (70 K). Ce laser présente un mode de fonctionnement original, qui résulte de la non-réciprocité entre absorption et émission stimulée dans la couche active. Le gain significatif permet un fonctionnement efficace sur des cavités très courtes, comme celles de 20µm utilisées dans cette étude. De plus une longueur de pompe de seulement 15% de la longueur de cavité suffit pour atteindre l'effet laser, ce qui distingue clairement ces lasers à polaritons des lasers semi-conducteurs conventionnels exigeant un pompage d'une grande partie de la cavité laser par un milieu actif homogène pour que le gain l'emporte sur les pertes ; (ii) l'observation, en étendant notre étude à T=150 K, d'une transition de régime laser avec un caractère multimode sur une cavité plus longue de 60µm. La modélisation des spectres mesurés permet de conclure que cette émission est impulsionnelle, grâce à la formation de solitons de cavité par un blocage de modes induit par les interactions non-linéaires entre les polaritons ; (iii) des mesures préliminaires d'injection électrique dans des guides d'onde avec couches d'injection dopées, suite à la mise en place d'un nouveau dispositif expérimental d'électroluminescence indépendant de celui de la spectroscopie optique.

Droplet coalescence is essential from inkjet printing to aerosols in spraying. In all such processes the drop size distribution is of key importance, which is not only governed by drop formation, but also to a large part by coalescence. Despite the large body of research on drop coalescence, there remains a discrepancy among experiments, theories, and computational models, particularly in the very early moments following the initial contact of two drops. The understanding that has emerged is that coalescence has two regimes: inertial regime and viscous regime. However, recent work [1] demonstrates a third regime so-called inertially-limited-viscous (ILV) regime from which coalescence should begin. Here, we will numerically and experimentally scrutinize the existence or nonexistence of the ILV regime. We show that for two low viscosity drops, the expected inertial-capillary coalescence is observed; however a low viscosity droplet coalescing with its bulk is shown to exhibit a jump into contact that generates capillary ripples, and exhibits a first regime in which the initial speed is given by the capillary wave speed [2]. We also describe the viscous-to-inertial crossover by using a simple crossover function [3].

[1] J.D. Paulsen, J.C. Burton, S. R .Nagel, S. Appathurai, M. T. Harris, and O. A. Basaran (2012). The inexorable resistance of inertia determines the initial regime of drop coalescence. PNAS, 109(18), pp.6857-6861.

[2] A. Deblais, K. Xie, M. A. Herrada, J. Eggers, J. E. Sprittles, D. Bonn. Early stages of drop coalescence (draft)

[3] K. Xie, M. Corpart, A. Deblais, M. A. Herrada, D. Bonn. The transition from inertial to viscous coalescence of liquid droplets (draft)

In this thesis, we investigate two kinds of jammed colloidal systems confined in millimetric spheres: beads of colloidal gels and drops of colloidal suspensions. We investigate these systems in three sets of experiments: beads of colloidal gel under uniaxial deformation, drying of beads of colloidal gel and drying drops of colloidal suspensions. Each of these experiments addresses a specific question. First, beads under uniaxial compression are investigated to obtain new insight on the yielding behaviour of colloidal gels. Indeed, the yielding transition of colloidal gels is commonly studied by shear rheology; thanks to an innovative experimental approach, we unveil new facets of yielding. Second, we study the drying of beads of gels to investigate the network restructuring due to the compression occurring during drying. We are interested in the spatial distribution of the network rearrangements, and their relevant lengths scales. Third, it is known that drying drops of colloidal suspensions undergo mechanical instabilities that change their shape, due to the evaporation-induced formation of a dense colloidal shell. Previous works proposed that this instability occurs when the particles in the shell aggregate forming a porous solid. However, no measurements could directly test this scenario and assess its generality with respect to changes in the drying rate and initial volume fraction of the colloidal particles.
To address these questions, we tackled several experimental challenges. To produce spherical beads of colloidal gels, we developed a new experimental protocol whose soundness has been demonstrated by checking that the structural and mechanical properties of the gel beads do not differ from those of bulk gels prepared according to conventional protocols. The stiffness and structure of the beads have been tuned by varying the colloidal volume fraction (VF). Moreover, for studying the drying of beads and drops, we developed a new Dynamic Light Scattering (DLS) setup suited to probe the microscopic dynamics with space- and time-resolution of spherical samples.
To impose a uniaxial compression the beads, we used a rheometer coupled with a camera, allowing for imaging the system while measuring its mechanical response. Beads prepared at high VF abruptly yielded in the linear regime breaking into pieces, while those prepared at low VF dissipated energy by deforming plastically, leading to a smooth yielding. These observations indicated a brittle-to-ductile transition (BDT), predicted theoretically but elusive in shear rheology experiments. Thus, our experimental approach opens a promising experimental avenue for further investigations of the BDT.
Beads of colloidal gel were dried on top of hydrophobic surfaces, minimizing the interactions between the substrate and the gel, leading to an isotropic drying. We investigated isotropic drying through three experimental techniques: DLS, X-ray scattering and uniaxial compression tests. DLS revealed that the stresses imposed by the drying on the surface of the bead are homogeneously propagated, thus inducing rearrangements in the whole volume. X-ray scattering indicated that drying gels rearrange in a hierarchical manner, restructuring first at large length scales and then at smaller length scales, down to few particles size.
The drying of drops of colloidal suspension have been investigated with our new DLS setup. We measured the evolution of the thickness of the shell and the spatial dependence of the volume fraction of the colloids. We found that above a critical evaporation rate the drop undergoes successively two distinct shape instabilities: invagination and cracking. Interestingly, the permanent aggregation of nanoparticles accompanies only the second instability, while the first one results from a reversible glass transition within the shell, unreported so far. Based on our discovery, we proposed a unified state diagram that rationalizes the drying of colloidal suspensions.

Resonance energy transfer among chiral molecules serves as a valuable tool for enantiomer discrimination, involving nondiscriminatory and discriminatory transfer rate components, the latter being sensitive to molecular handedness. Our study reveals a higher ratio of these components in the retarded regime or far zone of separation distances. The discrimination can be modified by the surrounding medium, where local-field effects play a crucial role. We identify the optimal dielectric medium for discrimination among identical chiral molecules and show that unconventional media can reverse discriminatory effects. We additionally consider chiral environment, which takes an active part in the discrimination and find that local-field corrections in a chiral medium introduce surprising effects.

Dans cet exposé, Françoise Berthoud fera une rapide présentation des impacts environnementaux directs du numérique, puis élargira le sujet aux effets indirects du numérique à partir d'exemples. Ses propos seront illustrés par les jeux d'acteurs entre le législateur, les industriels, les gouvernements, les utilisateurs, .. et nous verrons comment tout cela peut nous conduire vers des solutions face aux crises environnementales, ou non.
Françoise Berthoud  est spécialiste des impacts environnementaux du numérique, co-créatrice du MOOC Inria (www.fun-mooc.fr/fr/cours/impacts-environnementaux-du-numerique/) et co-fondatrice du GDR éco-info  https://ecoinfo.cnrs.fr/author/francoise/) sur ces sujets, ingénieure et coach au CNRS, à l'université de Grenoble Alpes.

Ce travail de thèse porte sur les l’élaboration de nanoplateformes multifonctionnelles de type cœur/coquille incluant un cœur fonctionnel qui agit comme nanothermomètre encapsulé dans une couche de silice hybride mésoporeuse. L’élaboration des systèmes a été effectuée dans un premier temps suivant la stratégie d’un dépôt de silice hybride mésoporeuse sur un cœur condensé à base de silice suivant la stratégie de « hard template ». Une étude fondamentale de la structure, de la nature chimique et de la taille de la coquille de confinement est menée par une approche expérimentale multi-échelle. La modulation de la taille des nano-objets sur un ordre de grandeur (50 -500 nm nm environ) a été démontrée, ainsi que la modulation de la composition chimique basée sur l’utilisation de différents précurseurs organosilanes pontés. Les résultats ont révélé que l’organisation des mésopores de la couche est conditionnée par les interactions supramoléculaires entre sous structures organiques de la silice hybride. L’élaboration d’un cœur fonctionnel photoluminescent dopé de terres rares (β-NaYF4: Yb3+, Er3+) a été ensuite effectuée et suivie du dépôt d’une couche hybride afin d’obtenir des systèmes multicoquilles. Ces systèmes ont été modifiés pour introduire un espace creux entre les deux phases. Les propriétés thermométriques des nanoparticules fonctionnelles en fonction du type de confinement ont été étudiées en détails sur la base de leur réponse en photoluminescence. L'évaluation des performances des nanothermomètres obtenus est encourageante pour les applications dans le domaine biologique.

It is by now commonplace to claim that biology is ‘self assembled soft matter’. That claim is true, but misses half of the physics. Along side self assembly, biology from molecules through cells to ecosystems, also makes use of highly targeted self disassembly processes (‘death’) to produce products to feed back into self assembly. Very often, these disassembly processes are active, typically consuming energy in the form of ATP. In this talk, I will give an overview of biological active self disassembly processes, and argue that coming to a physics-based understanding of such process would represent not only a big step forward in biological physics, but should offer a new paradigm for the synthesis of new materials by deliberately coupling self assembly to targeted active self disassembly.

La génération de seconde harmonique (acronyme anglais SHG) est couramment utilisée pour convertir les fréquences dans les lasers. Pour atteindre les taux de conversion les plus élevés, la règle de l’accord de phase doit être respectée. Cependant, à l’échelle nanométrique, cette règle ne détermine plus la réponse SHG. Dans ce dernier cas, la réponse est plutôt contrôlée par la structure moléculaire à l’échelle nanométrique. Dans cette présentation, je montrerai comment le processus SHG peut ainsi fournir des informations détaillées sur l'organisation des liquides, sur l'agrégation moléculaire ou sur les nanoparticules.

Nous avons ainsi exploré la réponse SHG de liquides purs comme l'eau et des électrolytes aqueux. Le processus SHG en mode de diffusion fournit alors une image très détaillée de l'organisation moléculaire induite par les forces intermoléculaires dans ces liquides [1, 2]. Aussi, dans le cas de molécules organiques dispersées dans un solvant, celles-ci étant souvent utilisées comme sondes moléculaires, il est possible d'observer l’agrégation ou la formation de micelles.

Par ailleurs, les nanoparticules qui présentent de nombreux avantages par rapport aux sondes moléculaires organiques, sont désormais couramment utilisées en microscopie comme rapporteurs ou à des fins de détection. Cependant, leur réponse SHG est complexe et implique à la fois une réponse de surface et de volumique. Le rôle de leur forme et de leur taille peut néanmoins être séparé [3, 4]. Leur grande réponse SHG ouvre néanmoins la voie vers des mesures sur nanoparticules uniques avec des perspectives d’applications intéressantes [5].

[1] J. Duboisset, P.F. Brevet, Salt induced Long-to-Short Range Orientational Transition in Water, Phys. Rev. Lett., 120 (2018) 263001.
[2] J. Duboisset, F. Rondepierre, P.F. Brevet, Long-Range Orientational Organization of Dipolar and Steric Liquids, J. Phys. Chem. Lett., 11 (2020) 9869.
[3] J. Butet, P.F. Brevet, O.J.F. Martin, Optical Second Harmonic Generation in Plasmonic Nanostructures: From Fundamental Principles to Advanced Applications, ACS Nano, 9 (2015) 10545.
[4] L. Bonacina, P.F. Brevet, M. Finazzi, M. Celebrano, Harmonic Generation at the Nanoscale, J. Appl. Phys., 127 (2020) 230901.
[5] L. Sanchez, A. Bruyère, O. Bonhomme, E. Benichou, P.F. Brevet, Longitudinal position dependence of the second-harmonic generation of optically trapped silica microspheres, Opt. Lett., 45 (2020) 3196.

Dans un effort de miniaturisation des dispositifs optoélectroniques, les progrès en nanosciences ont permis la conception d’antennes optiques dans la gamme spectrale de la lumière visible et proche infrarouge. Toutefois, les pertes par effet Joule des antennes optiques faites de métaux nobles affectent significativement leur rendement. Pour y remédier, les nanotubes de carbone métalliques ont été envisagés comme antennes optiques permettant ainsi, de part leur géométrie (diamètre de l’ordre du nanomètre et longueur de l’ordre du micromètre) et l’absence de défauts cristallins en leur structure, de remplacer les métaux nobles. Il a été démontré que les nanotubes de carbone métalliques possèdent des propriétés électriques exceptionnelles en transport électronique, c’est à dire aux basses fréquences. Néanmoins, aux fréquences optiques, leur potentiel restait encore à explorer. Ces travaux de thèse ont permis, entre autres, de répondre à la question suivante : jusqu’à quelle fréquence peut-on parler de nanotubes de carbone « métalliques » ? Pour cela, je présenterai les propriétés optiques des nanotubes de carbone métalliques de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain. Leurs propriétés optiques sont issues de mesures de réflectance, extraites à partir d’une analyse de Kramers-Kronig et sont comparées à deux modèles largement utilisés. Cette comparaison nous a permis de mettre en avant la nécessité d’utiliser des calculs ab-initio pour prédire les propriétés optiques des nanotubes de carbone métalliques. Cette étude approfondie offre désormais la possibilité de faire des prédictions précises et quantitatives pour toutes applications novatrices impliquant des nanotubes de carbone métalliques, contribuant ainsi à l’avancement significatif de notre compréhension de ces matériaux.





La soutenance durera 45 minutes et se fera en français devant le jury composé de Laëtitia Marty (Institut Néel-Grenoble), Luca Perfetti (LSI-Ecole polytechnique-Paris), Aloyse Degiron (LMPQ-Paris), Etienne Gaufrès (LP2N-Bordeaux), Jean-Louis Bantignies (L2C-Montpellier) et Laurent Alvarez (L2C-Montpellier).