L'objectif de ce projet de formation est de sonder la capacité de NP-Pt étiqueté avec RhB pour améliorer l'effet du faisceau provenant de l'accélérateur d'électrons piloté par laser-plasma, et d'utiliser ce protocole pour caractériser et quantifier leur efficacité pour améliorer les effets de rayonnement lorsqu'il est soumis à des paquets d'électrons à débit de dose extrême tels que FLASH.

Il comprend des mesures et une analyse approfondie de l'intensité de fluorescence du NP-PtRhB pour sonder en temps réel les changements chimiques rapides dans les cellules et déterminer la dose locale délivrée. Nous prévoyons de mesurer les rendements de fluorescence dans différentes lignées cellulaires (HeLa, PC3, glioblastome U87, pancréas BxPC3, fibroblaste) cultivées en mode de culture monocouche classique (2D).

The objective of this training project is to probe the capability of NP-Pt tagged with RhB to enhance the effect of the beam coming from the laser-plasma driven electron accelerator, and to use this protocol to characterize and quantify their efficiency to improve radiation effects when submitted to extreme dose rate electron bunches such as FLASH.

It includes measurements and in-depth analysis of the of NP-PtRhB fluorescence intensity to probe in real time the fast chemical changes in cells and determine the local dose deliver. We plan to measure the fluorescence yields in different cell lines (HeLa, PC3, U87 glioblastoma, BxPC3 pancreas, fibroblast) cultivated in classical monolayer culture mode (2D).

Dans le cadre de l'étude des nanoparticules (NPs) utilisées en radiothérapie comme radio-amplificateurs pour augmenter les effets des rayonnements sur les cellules tumorales, il est primordial de suivre leur effet en temps réel, par des méthodes rapides et non intrusives. Ce protocole de suivi rapproché proposé dans ce projet est la première étape pour la prédiction de l'efficacité du renforcement radio et l'évaluation de la dose délivrée localement en présence de NPs. Ainsi, le développement d'un nouvel outil et d'une nouvelle méthode nano-dosimétrique pour assurer la standardisation et la transférabilité des solutions à la clinique est une étape majeure pour développer de nouvelles stratégies de radiothérapies anticancéreuses.

Les hypothèses de ce projet sont les suivantes : L'équipe de l'ISMO a conçu une NP de platine multifonctionnel (NP-Pt) greffé avec des molécules de Rhodamine-B (RhB). La fluorescence RhB de la NP-Pt transplantée a d'abord été utilisée pour le suivre jusqu'à son internalisation dans la cellule cible. L'exploitation de la durée de vie de fluorescence () du RhB greffé au NP-Pt (NP-Pt-RhB) ouvre de nouvelles possibilités pour effectuer le suivi des effets du NP-Pt sur l'administration de dose locale dans les cellules tumorales et in vivo.

Il est aussi connu que la durée de vie de fluorescence (τ) renseigne sur l'environnement de l'émetteur de fluorescence (RhB) car les transferts de charge ou les réactions permettent à l'état excité de se détendre par des voies non radiatives. Ainsi, les modifications de l'environnement, dues à la modification du pH, à l'application d'un champ électrique ou à une température élevée ou à la production de sous-produits, entraînent des variations de τ.

Lors de l'irradiation, l'environnement des cellules cibles tumorales change. Il produit instantanément un fort champ de molécules ionisées (essentiellement celles de l'eau) et engendre très rapidement la production de radicaux libres. Ces espèces affectent la relaxation des états excités d'une molécule de colorant telle que RhB. L'interaction de l'émetteur de fluorescence avec les radicaux "éteint" la fluorescence. Ainsi, la mesure de τ donne accès à la composition chimique locale, à l'efficacité et à la dose locale induite par le rayonnement.

Une nouvelle modalité en radiothérapie est le FLASH utilisant des débits de dose ultra élevés. Les nouveaux accélérateurs d'électrons pilotés par laser-plasma peuvent atteindre un débit de dose d'environ 109-12 Gy/s, plusieurs ordres de grandeur supérieur au débit de dose utilisé pour le traitement conventionnel (de l'ordre de 1 Gy/min). Les processus fondamentaux responsables de l'effet FLASH sont en cours d'investigation et non élucidés à ce jour. Ces sources spécifiques de particules à débit de dose extrême pourraient être utilisées pour élucider l'effet FLASH

L'objectif de ce projet de formation est de sonder la capacité de NP-Pt étiqueté avec RhB pour améliorer l'effet du faisceau provenant de l'accélérateur d'électrons piloté par laser-plasma, et d'utiliser ce protocole pour caractériser et quantifier leur efficacité pour améliorer les effets de rayonnement lorsqu'il est soumis à des paquets d'électrons à débit de dose extrême tels que FLASH. Il comprend des mesures et une analyse approfondie de l'intensité de fluorescence de la NP-PtRhB pour sonder en temps réel les changements chimiques rapides dans les cellules et déterminer la dose locale délivrée. Nous prévoyons de mesurer les rendements de fluorescence dans différentes lignées cellulaires (HeLa, PC3, glioblastome U87, pancréas BxPC3, fibroblaste) cultivées en mode de culture monocouche classique (2D).

As part of the study of nanoparticles (NPs) used in radiotherapy as radioenhancers to increase the effects of radiation on tumor cells, it is a key issue to monitor their effect in real time, by fast and non- intrusive methods. This close monitoring protocol proposed in this project is the first step for prediction of the radioenhancement efficiency and the evaluation of the locally delivered dose in presence of NPs. Thus, the development of a new nanodosimetric tool and method to ensure the standardization and transferability of solutions to the clinic is a major step to develop new strategies for cancer radiation therapies.

The hypotheses of this project are the following. The team at ISMO has designed a multifunctional platinum NP (NP-Pt) grafted with Rhodamine-B (RhB) molecules. The RhB fluorescence of the transplanted NP-Pt was used first to track it until internalization in the target cell. Exploiting the fluorescence lifetime ( ) of the RhB grafted to the NP-Pt (NP-Pt-RhB) opens new possibilities to carry out monitoring of NP-Pt effects on local dose delivery in the tumor cells and in-vivo.

It is known that the fluorescence lifetime (τ) provides information on the environment of the fluorescence emitter (RhB) because charge transfers or reactions allow the excited state to relax by non-radiative pathways. Thus, modifications of the environment, due to pH modification, application of an electric field or high temperature or production of byproducts, lead to variations of τ.

Upon irradiation, the environment of the tumor target cells changes. It instantly produces a strong field of ionized molecules (mainly those of water) and very quickly generates the production of free radicals. These species affect the relaxation of the excited states of a dye molecule such as RhB. The interaction of the fluorescence emitter with radicals "quenches" the fluorescence. Hence, measurement of τ gives access to the local chemical composition, effectiveness and local dose delivery induced by radiation.

A new modality in radiation therapy is the FLASH using ultra high dose rates. The new laser-plasma driven electron accelerators, can reached a dose rate about 109-12 Gy/s, several orders of magnitude higher than the dose rate used for conventional treatment (in the range of 1Gy/min). The fundamental processes responsible for the FLASH effect are under investigation and not elucidated at that time. These specific extreme dose rate particle sources could be used to elucidate the FLASH effect.

The objective of this training project is to probe the capability of NP-Pt tagged with RhB to enhance the effect of the beam coming from the laser-plasma driven electron accelerator, and to use this protocol to characterize and quantify their efficiency to improve radiation effects when submitted to extreme dose rate electron bunches such as FLASH. It includes measurements and in-depth analysis of the of NP-PtRhB fluorescence intensity to probe in real time the fast chemical changes in cells and determine the local dose deliver. We plan to measure the fluorescence yields in different cell lines (HeLa, PC3, U87 glioblastoma, BxPC3 pancreas, fibroblast) cultivated in classical monolayer culture mode (2D).

Nanoparticules ; Culture cellulaire 2D

Nanoparticles ; Cell culture in 2D mode

Spectroscopie de fluorescence; TCSPC

Fluorescence spectroscopy; TCSPC

L’imagerie par diffraction cohérente est une imagerie sans lentille qui utilise la cohérence spatiale et l’optique de Fourier pour atteindre des résolutions de l’ordre de la dizaine à quelques nanomètres. L'objectif du stage est de mettre en œuvre la ptychographie, une technique particulière d’imagerie par diffraction cohérente par balayage, sur une nouvelle source de rayonnement laser à 20 nm.

Coherent diffractive imaging is a lensless imaging technique that makes use of spatial coherence and Fourier optics to reach spatial resolutions of the order of 10s to few nanometers. The aim of this internship will be to implement ptychography, a scanning coherent diffractive imaging technique, on a new laser high harmonic source working at 20 nm.

L’imagerie par diffraction cohérente (CDI) est une technique d’imagerie sans lentille qui utilise la cohérence spatiale et l’optique de Fourier pour supprimer les objectifs traditionnellement utilisés en microscopie pour atteindre des résolutions spatiales nanométriques, non limitées par les imperfections de ces optiques. Développée pour les synchrotrons, son implémentation sur les sources de radiations de courtes longueurs d’onde basées sur des lasers intenses a permis le développement de l’imagerie nanométrique femtoseconde. Le CEA-LIDYL développe depuis plus de 15 ans de nouvelles techniques d’imagerie CDI sur de telles sources de laboratoire, telles que l’holographie par transformée de Fourier avec référence étendue [1], l’imagerie 3D stéréographique [2] ou l’imagerie CDI en tir unique pour les expériences résolues en temps [3,4].

Ces sources à l’échelle d’un laboratoire sont basées sur un phénomène ultra nonlinéaire appelé génération d’harmoniques laser d’ordre élevé (HHG). Lorsqu’un faisceau laser femtoseconde intense est focalisé dans un milieu gazeux, il est possible de générer un rayonnement cohérent spatialement et ultrabref (femto voir attoseconde) dans le domaine de l’extrême ultraviolet (100-10 nm). Ce processus est aujourd’hui bien compris, et est en voie de démocratisation rapide pour la réalisation d’expériences de spectroscopie ultrarapide. Cependant, les flux de photons limités constituent un frein important pour de nombreuses applications.

Au CEA-LIDYL, nous avons récemment développé une nouvelle source de rayonnement harmonique basé sur un laser femtoseconde à très haut taux de répétition. Le but du stage est de mettre en place un dispositif de ptychographie sur cette ligne de lumière. La ptychographie est une technique d’imagerie CDI particulière, basée sur le balayage de l’échantillon, qui permet d’atteindre des résolutions nanométriques sur des échantillons de grande taille [5]. Dans un second temps, la technique sera étendue pour être compatible avec de larges bandes spectrales, afin d’augmenter le flux de photons et de permettre d’allier résolutions nanométriques et sub-femtosecondes.

1. Gauthier et al., Single-shot Femtosecond X-Ray Holography Using Extended References, PRL 105, 093901 (2010)
2. Duarte et al., Computed stereo lensless X-ray imaging, Nat. Photonics 13, 449 (2019)
3. Ravasio et al., Single-Shot Diffractive Imaging with a Table-Top Femtosecond Soft X-Ray Laser-Harmonics Source, PRL 103, 028104 (2008)
4. Boutu et al., Impact of noise in holography with extended references in the low signal regime, Opt. Express 24, 6318 (2016)
5. Thibault et al., High-Resolution Scanning X-ray Diffraction Microscopy, Science 321, 379 (2008)

Coherent diffractive imaging (CDI) is a lensless imaging technique that uses spatial coherence and Fourier optics to remove the traditionally used objective optics in order to reach wavelength limited spatial resolution in X-ray microscopy. First developed for synchrotron facilities, its implementation on laser based short wavelength sources has allowed for the rise of nanoscale femtosecond imaging. For more than 15 years the CEA-LIDYL has developed new CDI techniques on laboratory sources, such as Fourier Transform Holography with Extended Reference [1], Stereo 3D imaging [2], or single shot CDI for time resolved experiments [3,4].

Those small scale sources are based on an ultra nonlinear phenomenon called laser high order harmonic generation (HHG). When focusing a femtosecond infrared laser beam on a gas jet, one can generate ultrashort (femtosecond to attosecond) coherent radiation in the extreme ultraviolet domain (100-10 nm). This process is now well understood, and is currently undergoing a rapid democratization for ultrafast spectroscopy experiments. However, the low photon flux is a strong limitation for many applications.

At CEA-LIDYL we recently developed a new high harmonic source based on a high repetition rate femtosecond laser. The aim of the internship is to implement on this beamline a ptychography setup. Ptychography is a specific CDI technique that relies on scanning, enabling to reach nanometre scale resolutions on large-scale samples [5]. In a second step, the technique will be extending to very large spectral bandwidths, in order to increase the usable photon flux and reach sub-femtosecond time resolutions.

1. Gauthier et al., Single-shot Femtosecond X-Ray Holography Using Extended References, PRL 105, 093901 (2010)
2. Duarte et al., Computed stereo lensless X-ray imaging, Nat. Photonics 13, 449 (2019)
3. Ravasio et al., Single-Shot Diffractive Imaging with a Table-Top Femtosecond Soft X-Ray Laser-Harmonics Source, PRL 103, 028104 (2008)
4. Boutu et al., Impact of noise in holography with extended references in the low signal regime, Opt. Express 24, 6318 (2016)
5. Thibault et al., High-Resolution Scanning X-ray Diffraction Microscopy, Science 321, 379 (2008)

Laser femtoseconde, génération d'harmoniques d'ordre élevé, microscopie

Femtosecond laser, high order harmonic generation, microscopy

Optique EUV, imagerie sans lentille, algorithmes itératifs de reconstruction de phase

EUV optics, lensless imaging, iterative phase retrieval algorithms

Python

Le but du stage est d’installer et de tester un nouveau dispositif expérimental pour mesure la phase spectrale du rayonnement harmonique laser d’ordre élevé issu de l’interaction entre un laser femtoseconde et un cristal semi-conducteur dans le domaine spectral de l’ultraviolet lointain, inaccessible aux détecteurs standards.

The aim of this internship is to install and test a new experimental setup to measure the spectral phase of the laser high order harmonic generation radiation resulting from the interaction between femtosecond laser pulses and semiconducting crystals, in the deep ultraviolet spectral range, inaccessible to standard detectors.

Utiliser la lumière afin de contrôler le mouvement des électrons au sein d’un semiconducteur ouvre la voie vers l’optoélectronique petahertz, c’est-à-dire la fabrication de dispositifs électroniques commutant 1000 fois plus rapidement que les transistors les plus rapides actuellement. En effet, dans un cristal semiconducteur ou diélectrique, l’excitation des électrons de valence vers la bande de conduction crée des porteurs de charge qui peuvent transporter du courant électrique au sein de dispositifs électroniques. En utilisant une lumière laser intense, ces porteurs peuvent être accélérés au sein des différentes bandes électroniques, à volonté et de façon réversible. En mettant en forme le champ électromagnétique du laser à l’échelle du cycle optique, ces processus peuvent être contrôlés à l’échelle de l’attoseconde (1 attoseconde = 10-18 seconde).

Lorsque ces électrons accélèrent sous l’effet du champ fort dans les bandes de conduction ou se recombinent vers la bande de valence un rayonnement de courte longueur d’onde est émis. Dans le domaine spectral, ce rayonnement cohérent est constitué des harmoniques d’ordre élevé du rayonnement incident [1]. Dans le domaine temporel, cela correspond à une émission d’impulsions ultrabrèves, a priori attosecondes, bien que cette mesure n’ait pas encore été réalisée à ce jour. Le rayonnement harmonique est une conséquence directe des dynamiques électroniques dans le champ laser. Caractériser temporellement l’émission harmonique permettrait par conséquent de déduire précisément la dynamique des électrons, notamment en différenciant les processus intra et inter-bandes. Cependant, le domaine d’émission de ce rayonnement (dans le vacuum ultraviolet (VUV, 200-120nm) et l’extrême ultraviolet (EUV, 120-50 nm)) rend la mesure du profil temporel non triviale. Le groupe Attophysique du LIDYL possède l’expertise pour ce type de mesure dans l’EUV [2,3], mais le domaine VUV n’est à l’heure actuelle pas accessible. Le stage consistera à modifier un spectromètre de photoélectrons pour permettre les mesures dans cette gamme spectrale, puis à l’intégrer au sein d’un dispositif de mesure temporelle par la technique RABBITT [2]. Les premiers tests seront effectués sur des cristaux semi-conducteurs classiques. En fonction de l’avancement du stage, des échantillons présentant de très fortes corrélations entre électrons pourront être étudiés. En effet, la caractérisation temporelle de l’émission harmonique nous permettra d’étudier ces dynamiques particulières. Ce stage se déroulera sur l'installation NanoLight, un tout nouveau laboratoire du groupe DICO du LIDYL, équipé notamment d’un nouveau système laser, un OPCPA intense de 100kHz, délivrant des impulsions de quelques cycles optiques dans l’infrarouge rouge proche.

[1] Ghimire et al., Nature Physics 7, 128 (2011)
[2] Mairesse et al., Sciences 302, 1540 (2003)
[3] Boutu et al., Nature Physics 4, 545 (2008)

Using light to control the motion of electrons in a semiconducting crystal opens the way towards petahertz optoelectronics, which would relies on electronic devices switching 1000 times faster than the current fastest transistors. In a semiconducting or dielectric crystal, the excitation of electrons from the valence to a conduction band generate charge carriers, which can carry electric current in electronic devices. Using intense laser light, those carriers can be accelerated in the different electronic bands in a controllable and reversible way. By shaping the laser electromagnetic field at the optical cycle level, these processes can be controlled at the attosecond time scale (1 attosecond = 10-18 second).

When those electrons accelerate in the strong laser field inside the conduction bands or recombine towards the valence band, a short wavelength radiation is emitted. In the spectral domain, this coherent radiation consists in successive high order harmonics of the incident radiation [1]. In the temporal domain, this corresponds to the emission of ultrashort pulses, in the attosecond scale, although this measurement has not been performed yet. The harmonic emission is a direct consequence of the electron dynamics in the laser field. The temporal characterization of the emission would therefore allow to know precisely the dynamics of the electrons, in particular by differencing the intra and inter band processes. However, the spectral domain of this radiation (in the vacuum ultraviolet (VUV, 200-120 nm) and the extreme ultraviolet (EUV, 120-50 nm) domains) complicates this measurement. The DICO group from LIDYL has the expertise for this measurement in the EU [2,3], but the VUV range has not been accessible up to now. The aim of the internship will be to modify an electron time of flight spectrometer to gain access to this spectral range, and to integrate this tool in an experimental setup for temporal characterization through the RABBITT technique [2]. The first tests will be performed in usual semiconducting crystals. Depending on the progress, samples with strong electronic correlations may be studied. Indeed, temporal characterisation of the harmonic emission will enable the study of their specific electron dynamics.
This internship will take place in the NanoLight facility, a brand new laboratory of the Attophysics group, equipped with a new OPCPA laser system that delivers intense ultrashort pulses of just a couple optical cycle duration at a 100kHz repetition rate, in the near infrared spectral domain.

[1] Ghimire et al., Nature Physics 7, 128 (2011)
[2] Mairesse et al., Sciences 302, 1540 (2003)
[3] Boutu et al., Nature Physics 4, 545 (2008)

Physique attoseconde, laser femtoseconde, génération d'harmoniques d'ordre élevé, semiconducteur

Attophysics, femtosecond laser, high order harmonic generation, semiconductor

Optique EUV, spectroscopie de photoélectrons, dispositifs pompes-sondes

EUV optics, photoelectron spectroscopy, pump-probe setups

Python