Service de Physique de l'Etat Condensé

L'objectif du stage est de mesurer l'influence d'une nano-antenne sur la fluorescence d'une molécule unique. L’expérience consiste à approcher la nano-antenne de manière contrôlée à l’aide d’un microscope à force atomique, tout en mesurant l’émission de photons de fluorescence. L'étudiant.e effectuera donc un travail principalement expérimental, sur un banc expérimental dédié, allant de la fabrication des pointes aux mesures optiques et à l'analyse des données.

The objective of the internship is to measure the influence of a nano-antenna on the fluorescence of a single molecule. The experiment consists in approaching the nano-antenna in a controlled way with an atomic force microscope, while measuring the emission of fluorescence photons. The student will perform a mainly experimental work, on a dedicated experimental bench, from the fabrication of the tips to the optical measurements and the data analysis.

L’équipe d’accueil est le groupe Nanophotonique du CEA/SPEC/LEPO. Pour les besoins de ses recherches, le groupe a développé un savoir-faire important dans le couplage de mesures optiques avec des microscopies à sondes locales. L’équipe dispose ainsi de plusieurs bancs expérimentaux de ce type, fonctionnant à l’air ou sous ultravide, permettant des mesures en optique linéaire et non-linéaire de nano-objets, et le développement de nouvelles méthodes de microscopies optiques à sonde active … Dans le cadre du projet ANR PlasmonISC (2020-2024), nous nous intéressons aux propriétés d’émission de fluorescence de molécules uniques en présence d’une nano-antenne.

L’objectif de ce projet est d’obtenir des mesures quantitatives des propriétés photophysiques d’une même molécule unique (temps de vie, taux d’excitation, taux de croisement inter-système…), en présence et en l’absence de la nano-antenne. Ces mesures expérimentales quantitatives serviront de base pour la compréhension théorique de l’interaction molécule-antenne.
Le laboratoire possède un banc de mesure optique, dédié à ce projet qui permet une large variété de mesures optiques (fluorescence, Raman, diffusion, comptage de photons, mesure de fonction de corrélation (Hanbury-Brown-Twiss), diagramme d’émission...).

Nous travaillons sur un système moléculaire simple à préparer, où les molécules fluorescentes sont insérées dans une matrice organique de faible épaisseur (20-30 nm). Pour amener l’antenne à proximité de la molécule, nous avons opté pour la microscopie à force atomique, qui permet un positionnement nanométrique de l’antenne par rapport à la molécule. Nous finalisons actuellement une campagne de mesure en utilisant comme antenne une fibre optique étirée. Cette pointe en verre nous a permis d’observer de large effets sur la fluorescence.

Dans le cadre du stage, l’étudiant.e devra mener un travail principalement expérimental, qui consiste à étudier l’influence d’autres types d’antennes (plasmoniques, magnétiques, diélectriques). Le travail portera sur la fabrication des pointes (le laboratoire dispose pour cela d’une salle blanche, permettant des techniques avancées de nano-fabrication), la préparation des échantillons et les caractérisations optiques de molécules uniques avec et sans antenne. Elle/Il participera activement au dépouillement et à l’analyse des résultats.

Ce stage sera l’opportunité pour apprendre des techniques avancées de microscopie optique, des concepts de nanophotonique à l’interface avec la mécanique quantique, des techniques de microscopie à force atomique, ainsi que des compétences de nano-fabrication en salle blanche.

La poursuite en thèse est possible sous réserve d’un financement (CEA, école doctorale, …).

The host team is the Nanophotonics group of CEA/SPEC/LEPO. For the needs of its research, the group has developed an important expertise in the coupling of optical measurements with local probe microscopies. The team has several experimental benches of this type, operating in air or under ultra-high vacuum, allowing linear and non-linear optical measurements of nano-objects, and the development of new methods of optical microscopy with active probes... In the framework of the ANR PlasmonISC project (2020-2024), we are interested in the fluorescence emission properties of single molecules in the presence of a nano-antenna.

The objective of this project is to obtain quantitative measurements of the photophysical properties of a single molecule (lifetime, excitation rate, inter-system crossing rate...), in the presence and absence of a nano-antenna. These quantitative experimental measurements will serve as a basis for the theoretical understanding of the molecule-antenna interaction.
The laboratory has an optical measurement bench, dedicated to this project, which allows a wide variety of optical measurements (fluorescence, Raman, scattering, photon counting, correlation function measurement (Hanbury-Brown-Twiss), emission diagram...).

We are working on a molecular system that is simple to prepare, where we insert fluorescent molecules in a thin organic matrix (20-30 nm). To bring the antenna close to the molecule, we opted for atomic force microscopy, which allows a nanometric positioning of the antenna with respect to the molecule. We are currently finalizing a measurement campaign using a pulled optical fiber as an antenna. This glass tip allowed us to observe large effects on fluorescence.

In the framework of the internship, the student will have to carry out a mainly experimental work, which consists in studying the influence of other types of antennas (plasmonic, magnetic, dielectric). The work will focus on the fabrication of the tips (the laboratory has a clean room for this purpose, allowing advanced nano-fabrication techniques), the preparation of samples and optical characterizations of single molecules, with and without antenna. She/he will actively participate in the analysis of the results.

This internship will be an opportunity to learn advanced optical microscopy techniques, nanophotonics concepts at the interface with quantum mechanics, atomic force microscopy techniques, as well as clean room nano-fabrication skills.

A follow-up PhD is possible, under reserve of a financing (CEA, doctoral school, ...).

Microscopie à force atomique, photon unique, fluorescence, spectroscopie, nanophotonique

Atomic force microscopy, single photon, fluorescence, spectroscopy, nanophotonics

Microscopie optique Spectroscopie Microscopie à force atomique Fonctionnalisation chimique Nanofabrication Salle blanche Microscopie électronique

Optical microscopy Spectroscopy Atomic force microscopy Chemical functionalization Nanofabrication Clean room Electron microscopy

Python

Le but du stage est d’étudier l’effet de l’intégration de capteurs magnétiques magnétorésistifs dans des bras de levier flexibles de type AFM sur leurs performances. Les capteurs, destinés à être intégrés à un microscope magnétique ultrasensible, seront microfabriqués en salle blanche puis caractérisés en termes de magnétotransport et de bruit.

The aim of the internship is to study the magnetoresistive magnetic sensor integration in flexible cantilever on their performances. The sensors, destinated to be integrated in a scanning microscope, will be microfabricated in clean room and characterized in terms of magnetotransport and noise.

Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers ou les nanoparticules, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif est développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes. Ce microscope combine un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique intégré dans un bras de levier AFM. Les capteurs magnétiques utilisés sont des capteurs à magnétorésistance géantes, basées sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/√Hz.
Le but du stage sera d’étudier les performances des capteurs en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La réponse des capteurs devra être optimisée en fonction de l’application visée. Le stage aura donc un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de transport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit.
Les sondes développées seront ensuite intégrées dans le microscope afin de réaliser des images magnétiques.

In order to characterize the magnetic properties of materials such as steels or nanoparticles, an ultrasensitive and quantitative magnetic microscope is developed at the Nanomagnetism and Oxides Laboratory. This microscope combines a scanning local probe microscope of the AFM (Atomic Force Microscope) type and a magnetic sensor integrated in an AFM lever arm. The magnetic sensors used are giant magnetoresistance sensors, based on spin electronics and able to detect magnetic fields in the nT/√Hz range.
The goal of the internship will be to study the performance of the sensors in terms of magnetoresistance and noise when integrated into flexible lever arms. The response of the sensors will have to be optimized according to the targeted application. The internship will have a microfabrication aspect in clean room and a transport and noise measurement aspect, which will be performed in the shielded chamber of the Ultra Low Noise platform.
The developed probes will then be integrated in the microscope in order to realize magnetic images.

Capteur magnétique, microscopie sonde locale, magnétorésistance

Magnetic sensors, scanning probe microscopy, magnetoresistance

Microscopie magnétique, micro fabrication, mesures magnéto-transport

Magnetic microscopy, microfabrication, magnetotransport measurements