Laboratoire Lumière-Matière aux Interfaces

Materials under high pressure exhibit exciting topics such as the superconductivity (SC) of hydrogen-rich molecular compounds (super-hydrides) in the long standing search of room-temperature SC. While pressures above 100 GPa can be routinely created in a diamond anvil cell (DAC), the tiny sample volume almost precludes the use of non-optical detection schemes to probe the sample properties. The project idea is to integrate nitrogen-vacancy (NV) centers in the DAC and use the optically detected magnetic resonance (ODMR) of the NV electronic spin to image the Meissner effect. The project relies on our first results where we engineered NV centers on the tip of a diamond anvil and adapted quantum sensing methods to detect pressure-induced magnetic and SC transitions under tens of GPa. By controlling the stress distribution to achieve hydrostatic conditions that preserve the NV symmetry, we have extended this method above 100 GPa, reaching the pressure range of existence of SC in super-hydrides. These materials need to be synthetized at high pressure by laser heating which induces strong inhomogeneities with micron scale. We will use of widefield NV magnetometry to locally image the Meissner effect and the flux trapping in the SC grains whereas the conventional measurements average over the entire DAC geometry and therefore discard all local information. By operating NV sensing on a synchrotron beamline, we will determine the crystal structure of the super-hydrides after the synthesis in the DAC. We will finally couple the spatial detection with noise spectroscopy to measure the temporal current fluctuations in the SC. These methods will be implemented in parallel on Hg-doped cuprates as testbed systems. In a complementary task we will investigate the implementation of NV-based microscale nuclear magnetic resonance in the DAC. Our goal will be to exploit the sensitivity of a dense ensemble of NV centers to detect the chemical shift of the nuclear spins in the sample.

The future economic growth in Europe requires engineers and researchers capable to design, develop and implement new information technologies to support explosive data-driven transformation of economy, public and government activities. The analysis of this data demands a massive increase in processing power and communication bandwidth. Current information, computing and processing technologies strongly rely on the classical digital approaches and architectures developed by von Neumann. However, technological progress rates of digital technologies are flattening out and are about to hit their ultimate, physical ceilings (“end of Moore’s law”). This growing gap between what is demanded and what can be delivered becomes exacerbated by the increasingly inacceptable energy consumption of the global ICT infrastructure, whose relevance is amplified by the pressing and approaching climate crisis. In this situation, both academic and industrial ICT research has started to investigate and invest in so-called “unconventional”, nature-inspired approaches to computing which radically depart from the classical digital paradigm. European Doctoral Network on POSTDIGITAL Plus brings together internationally leading teams from academia, research centres and leaders of industry, including IBM, Thales, Hewlett Packard Enterprise Belgium and three regarded start-ups NcodiN, Akhetronics and VLC Photonics in the field of optical computing to train a cohort of 15 doctoral candidates in the inter-disciplinary fields of emerging disruptive neuromorphic computational technologies and their applications. POST-DIGITAL Plus has the ambition and the vision to create a new generation of scientific and industrial leaders that will greatly contribute to strengthening Europe’s human resources and industry competitiveness in future digital and post digital economy and technology.

La résistance aux antibiotiques est un problème majeur de santé publique. Toutefois, le lien entre l’état physiologique des bactéries et l’efficacité des antibiotiques reste mal caractérisé. Notre projet propose d’y remédier en étudiant, à l’échelle de la cellule unique, l’effet de changements du taux de croissance d’Escherichia coli sur la sensibilité à un antibiotique entraînant des cassures du chromosome, la ciprofloxacine. Nous étudierons aussi l’impact de cet antibiotique sur un état physiologique particulier, sans paroi et à croissance lente, les formes L. Nous avons montré que les bactéries à croissance rapide meurent davantage après une exposition aux dommages à l’ADN que celles à croissance lente. De plus, l'induction de la réponse aux dommages de l'ADN (réponse SOS) varie en fonction du taux de croissance ce qui peut affecter la survie des bactéries. Pour découvrir les mécanismes moléculaires sous-jacents, nous allons : (i) Combiner la microfluidique et notre protocole de microscopie à molécule unique pour imager la réparation de l'ADN en temps réel et la corréler avec l'induction de la réponse SOS dans des conditions de croissance variées. Nous comparerons l’exposition à la ciprofloxacin avec un système génétique qui permet de produire des cassures du chromosome de manière controlée. (ii) Induire le passage à la forme L et caractériser la réponse de ces formes L aux dommages à l'ADN au niveau de cellules individuelles après avoir développé des dispositifs microfluidiques adaptés. (iii) Evaluer l'effet du fond génétique en comparant la sensibilité à la ciprofloxacine d'une collection de souches uro-pathogènes, qui présentent des différences significatives de taux de croissance dans des milieu nutritifs identiques. Nous quantifierons également leur capacité à produire la forme L et leur réponse en présence de ciprofloxacine dans ces conditions. Ce projet permettra de mieux comprendre l'importance de changements physiologiques retrouvés dans des conditions cliniques sur la sensibilité d'E. coli à la ciprofloxacine, avec une pertinence directe pour les infections des voies urinaires.

Le métabolisme complexe de l’ARN régule le répertoire moléculaire et la fonction cellulaire des neurones, en coordonnant la synthèse protéique dans l’espace et le temps et en contrôlant le développement neuronal, la polarité et la connectivité synaptique. Lorsque cette régulation fine est perturbée, elle peut entraîner des pathologies sévères, comme la dystrophie myotonique de type 1 (DM1). Cette maladie multisystémique résulte de l’expansion anormale d’une répétition CTG non codante, conduisant à l’accumulation d’ARN toxiques qui interfèrent avec des protéines essentielles. DM1 est un modèle clé de toxicité de l’ARN, apportant un éclairage unique sur les anomalies du traitement de l'ARN dans le développement neuronal et la neurodégénérescence. Bien que la DM1 ait d’abord été étudiée pour ses symptômes musculaires, des preuves solides montrent qu’il s’agit aussi d’une maladie cérébrale, marquée par de graves troubles cognitifs et comportementaux. Cependant, ses mécanismes neuropathologiques restent mal compris, ce qui freine le développement de traitements ciblant le système nerveux central. Nos travaux remettent en question le modèle actuel : nous observons que la DM1 perturbe la structure axonale, le transport vésiculaire et les voies de signalisation intracellulaires. En particulier, nous avons identifié des anomalies morphologiques et fonctionnelles du segment initial de l'axone (AIS), un site clé pour l'initiation du potentiel d'action et le chargement vésiculaire, ainsi qu’un trafic vésiculaire synaptique altéré et une activité kinase perturbée. Ce projet vise à étudier les mécanismes physiopathologiques du dysfonctionnement neuronal dans la DM1, en combinant neurobiologie moléculaire, imagerie haute résolution, transcriptomique, protéomique et électrophysiologie. Notre approche repose sur quatre axes. D'abord, nous caractériserons en profondeur la morphologie et la fonction axonales des neurones DM1, avec un focus particulier sur l’AIS. Grâce à l’imagerie en temps réel et aux matrices de multiélectrodes de haute densité couplées à des circuits microfluidiques, nous évaluerons comment les anomalies de l’AIS affectent la fonction et la plasticité neuronales en réponse à l’activité synaptique. Ensuite, nous analyserons les défauts du transport axonal dans des cellules vivantes en utilisant des méthodes innovantes de suivi vésiculaire, combinant des traceurs fluorescents codés génétiquement et des nanodiamants fluorescents. Puis, nous réaliserons des analyses transcriptomiques et phosphoprotéomiques subcellulaires pour examiner comment la DM1 altère la localisation des ARN et la signalisation moléculaire avec une résolution inégalée. Enfin, en nous appuyant sur ces découvertes, nous explorerons des stratégies thérapeutiques ciblées, incluant la thérapie génique et la modulation de kinases, dans le but d’atténuer ou d’inverser les phénotypes neuronaux de la DM1. Notre étude repose sur un modèle murin transgénique unique de la DM1, développé par le laboratoire coordinateur, qui reproduit les principales caractéristiques moléculaires et neurologiques de la maladie. Pour assurer la pertinence translationnelle, nos résultats seront validés sur des neurones dérivés d'iPSC humaines et des tissus cérébraux post-mortem. Ce projet réunit trois équipes aux expertises complémentaires en production de modèles murins transgéniques, neurobiologie, multi-omiques, microfluidique et biophotonique. L'approche interdisciplinaire du consortium est non seulement un atout, mais une nécessité pour aborder la complexité neurologique de la DM1. En clarifiant les mécanismes du dysfonctionnement axonal et synaptique dans la DM1, nous révélerons des processus pathologiques cérébraux encore inexplorés. Ce travail ouvrira la voie à de nouvelles approches thérapeutiques, non seulement pour la DM1, mais aussi pour d'autres maladies neurologiques impliquant l'expression d'ARN toxique, dont la DM1 est le prototype.

EXCEPTIONAL a pour but de réaliser un but relativement ancien dans le domaine de la photonique non-hermitienne: la réalisation d'un laser fonctionnant en un point exceptionnel (EP). Dans ce but nous souhaitons i) mettre en oeuvre une technologie de laser bien maîtrisée, celle des lasers à semiconducteurs à cavité verticale externe (VECSELs) et ii) développer un nouveau type de lasers, soit un laser à cavité macroscopique dont le milieu à gain est constitué de molécules de colorant dopant une matrice diélectrique formée de nanotubes de nitrure de bore (BNNTs). En plus de leur immunité au blanchiment grâce à l'écrantage par les nanotubes, ce système laser présente toutes les caractéristiques nécessaires au fonctionnement sur un point exceptionnel: i) les nonlinéarités dispersives des molécules de colorant sont faibles au maximum de gain, nous permettant de construire un système dans la configuration dite "parité-temps"; qui garantit l'existence des EPS et ii- la durée de vie (dans le domaine des nanosecondes) de fluorescence de ces molécules de colorant est plus courte que celle des photons dans la cavité, permettant au laser de fonctionner en régime de classe-A, qui permet la stabilité des EPS.

Dans de nombreuses applications de communication optique ou radio, un laser pulsé, ou de façon duale une source peigne de fréquences jouent un rôle essentiel dans des sous-systèmes de traitement de signaux optiques ou micro-ondes. La flexibilité est une propriété recherchée mais difficile à atteindre. La flexibilité dans le taux de répétition impulsionnelle correspond à un peigne de fréquences dont l’intervalle spectral libre (ISL) est dynamiquement contrôlable. Elle rend l’architecture de ces sous-systèmes plus simple et réduit la taille des circuits photoniques intégrés. Folklor introduit un nouveau concept de diode laser à verrouillage de modes (LVM), intrinsèquement flexible, fondé sur un résonateur autorisant une variation importante, continue ou discrète, de son ISL, sans avoir besoin de parties mécaniquement mouvantes. L’inhomogénéité spatiale et le couplage phase-amplitude sont les mécanismes à la base de ce concept. Le réseau de Bragg dans la cavité laser est variable et plusieurs modes longitudinaux peuvent laser et se verrouiller. Nous l’avons démontré théoriquement et expérimentalement. Les défis à lever sont : 1) atteindre 8 modes verrouillés et étendre la fréquence de battement (40GHz et au-delà) ; 2) démontrer le verrouillage tout optique aux fréquences de battement du laser ; 3) réaliser pour la première fois le collage moléculaire d’îlots quantiques InAs sur SOI et concevoir et démontrer de nouveaux LVM flexibles. Deux démonstrations sont programmées : l’une concerne un oscillateur optoélectronique agile en fréquences sans avoir recours à un filtre accordable radiofréquence ; la seconde concerne un transmetteur WDM cohérent à séparation spectrale sélectionnable, et une récupération du signal d’horloge optique à différents débits de modulation. Folklore est structuré en 3 lots, couvrant la modélisation et la conception (lot 1) ; la réalisation (lot 2) et le test (lot 3) des lasers et des démonstrateurs. Un 4ème lot contient la valorisation du projet

A l'interface entre chimie, électronique moléculaire/0D et spintronique, G-ISLAND cible le transport de spin dans les nano-graphènes. Au-delà des mémoires magnétiques MRAM, la spintronique est envisagée comme un candidat majeur pour l'après-CMOS. Dans ce contexte, G-ISLAND vise à déverrouiller l'exploration des nano-îlots quantiques de graphène (GQD) comme nouvelle plateforme matériau de spin. Des fonctionnalités uniques sont attendues pour le graphène à l'échelle nano, avec de longs temps de vie de spins menant potentiellement à leur forte accumulation cohérente. Cependant, à ce jour, en dépit de leur énorme potentiel, l'électronique à électron unique et la spintronique avec GQD restent des visions criblées de défis majeurs : le transport de spin n'a jamais été rapporté dans des GQD isolés. C'est là que G-ISLAND se positionne. En s'écartant des approches latérales de la littérature, nous nous appuierons sur une géométrie originale de contact tunnel vertical permettant enfin de sonder le transport pour une large gamme de GQD (taille et configuration) accessible par synthèse chimique, combinée au support fondamental du STM/STS/Spin-Polarized-STM ainsi qu'à des caractérisations optiques avancées des GQD spécialement développés. La synergie proposée permettra de s’attaquer pour la première fois au défi de longue date consistant à développer une compréhension fondamentale de l'intégration des GQD dans des dispositifs électroniques et spintroniques fonctionnels afin d'en explorer les propriétés. Il sera alors possible d’exploiter les fonctionnalités spécifiques aux GQD, incluant les régimes de transport quantique et d’électrons uniques. Une nouvelle génération de nanodispositifs spintroniques sera développée, ciblant l'injection, le transport et l'accumulation de spins dans les GQD, atteignant les régimes de durée de vie géante de spins (> 100ns).

Le projet ELEPHANT vise à répondre aux questions scientifiques suivantes : À partir de quelle taille les molécules commencent-elles à se comporter comme des solides ? Existe-t-il une nouvelle physique aux échelles intermédiaires ou la transition est-elle abrupte ? Ces questions sont au cœur de débats intenses depuis des décennies. À notre connaissance, aucune réponse convaincante n'a encore été apportée, car la possibilité d'une étude systématique était rendue impossible à cause du manque de systèmes moléculaires adaptés. La réponse à ces questions est importante pour le développement d'un certain nombre d'applications. En particulier, la possibilité de placer plusieurs excitations dans le même objet et de comprendre leur interaction est cruciale pour les propriétés de transport, la récupération des porteurs de charge ou les valeurs de gain optique. Pour répondre à ces questions, ELEPHANT se concentre sur la synthèse et l'étude des propriétés optiques de grands nanoparticules de graphène (objets considérés comme 0D) dont les dimensions seront modifiées en continu avec une précision à l'échelle atomique pour atteindre des nanorubans de graphène 1D.

S'ils fonctionnaient à conditions atmosphériques, les matériaux quantiques tels que les supraconducteurs (SC) pourraient avoir un impact remarquable sur la société dans le domaine des énergies renouvelables ou de l'informatique quantique. À ce jour, les cuprates détiennent toujours le record de température critique à pression ambiante, mais sont incompris. La découverte récente de SC dans les nickelates bicouches (à 80 K et 18 GPa) a constitué une percée remarquable. Ces systèmes présentent des différences avec les cuprates : remplissage électronique, transition structurale sous pression, présence d'ondes de densité et dôme SC persistant sur une large gamme de pressions. Les nickelates offrent donc de nouvelles perspectives de compréhension de la SC à haute Tc. En outre, ils ont un potentiel pour des températures critiques plus élevées à des pressions plus basses. Aujourd'hui, de nombreuses questions doivent être rapidement résolues. Quel est l'impact de la pression sur le SC ? Pourquoi la Tc est-elle indépendante de la pression ? Quelle est la nature des autres phases en compétition ? Et surtout, quel type de substitution permet d'optimiser la phase SC ? Pour étudier ces questions et amener l'Europe dans la course, il est primordial de rassembler un consortium d'experts suisses et français des hautes pressions, de la synthèse à la caractérisation. L'ambition du projet est double. Nous investiguerons le diagramme de phase (p,T) du point de vue magnétique, électronique et structural afin de définir la nature des phases en compétition et de caractériser avec précision l'effet de la pression. Nous prévoyons surtout d'effectuer des substitutions afin d'induire une pression chimique ou un changement de symétrie. Notre objectif est d'établir les conditions chimiques qui favoriseraient l'apparition de la SC à plus haute TC et basse pression via la synthèse et la caractérisation approfondie des nouvelles compositions sous pression.

L’objectif du projet BADASS est de pouvoir suivre les trajectoires de nanoparticules en mouvement dans des cellules in-vivo, et dans un régime temps réel de super-localisation. L’implémentation d’une boucle optimisée et rapide d’optique adaptative à un microscope de tracking à deux photons (déjà développé) est au coeur technique du projet. Le dispositif vise à mesurer en profondeur des positions de nanoparticules à mieux que 3 nanomètres de précision et sur des échelles de temps de l'ordre de la milliseconde, qui sont les échelles spatiotemporelles typiques de la dynamique des moteurs moléculaires individuels. Le système sera testé et amélioré en mesurant le transport intraneuronal dans des larves de poissons zèbres. Dans un second temps, les larves pourront être soumises à un stress oxydatif mimant des dysfonctions neuronales de maladie neurodénégérative afin de comparer des conditions biologiques différentes. En parallèle, une analyse fine des résultats par une approche bayésienne non supervisée permettra de remonter aux paramètres du transport intraneuronal et de comparer les conditions biologiques de manière rigoureuse.

Les dispositifs de détection par specklegramme exploitent la grande diversité modale de la lumière se propageant à travers des milieux complexes pour créer des capteurs robustes, faciles à fabriquer et hautement sensibles à un large éventail de paramètres. Cependant, le potentiel des techniques de façonnage de front d’onde pour améliorer la sensibilité, la précision et la polyvalence de ces dispositifs est resté largement inexploré. Cela s'explique en partie par le fait que les capteurs de specklegramme sont des dispositifs basés sur l'intensité, ce qui les rend robustes face au bruit environnemental, mais impose une relation quadratique entre le champ d'entrée et la distribution d'intensité mesurée en sortie. Cela empêche l'utilisation des méthodes matricielles standard pour déterminer le champ d'entrée et le schéma de détection de la lumière en sortie qui optimisent la sensibilité du dispositif à un paramètre donné. De même, bien que la matrice de transmission soit l'outil principal pour étudier les milieux complexes, elle ne peut pas être utilisée pour décrire la relation entre l'entrée et la sortie dans le cas des milieux dynamiques. Le projet TACOS vise à résoudre ces problèmes en développant tout d'abord un cadre basé sur les tenseurs qui incorpore la relation quadratique des dispositifs basés sur l'intensité pour décrire la propagation de la lumière à travers des milieux complexes statiques et dynamiques. Ce cadre sera ensuite utilisé avec des techniques de décomposition tensorielle afin de tirer parti du potentiel inexploité des techniques de façonnage de front d'onde pour optimiser les dispositifs de détection par specklegramme.

Le projet CHOCOLAT a pour objectif d'étudier théoriquement et expérimentalement les propriétés optiques d'un émetteur quantique unique (SQE) incorporé de manière détermistique en des points exceptionnels de nanostructures photoniques unidimensionnelles et bidimensionnelles (1D et 2D). Un premier défi, abordé dans le WP1, est de concevoir et calculer les propriétés optiques (spectre d'émission, comptage d'émission, durée de vie, polarisation de fluorescence et directivité d'émission) d'un SQE couplé à des nanostructures polymères 1D et 2D en son point exceptionnel. À température ambiante, un SQE de haute qualité (spectre étroit, stable et brillant) sera obtenu avec un dot quantique et avec un nano-flake hBn (WP2). Dans le WP3, nous démontrerons le couplage d'un SQE à des nanostructures photoniques 1D et 2D en polymère en utilisant une méthode efficace, appelée écriture directe par laser à faible absorption (LOPA), afin d'optimiser les propriétés de la source de photons uniques. Le projet CHOCOLAT s'inscrit dans le cadre de la recherche du Thème E.06 puisqu'il aborde les propriétés optiques inexploitées et inhabituelles des structures nanophotoniques pour l'optimisation de la source de lumière quantique.