Analysis of individual nanodroplets and nanoparticles through a semiconductor optomechanical sensor - Université Paris Cité Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Analysis of individual nanodroplets and nanoparticles through a semiconductor optomechanical sensor

Analyse de nanogouttes et nanoparticules individuelles par un capteur optomécanique semi-conducteur

Résumé

Due to their small size, nanomechanical systems exhibit a strong response to external perturbations, which has led to remarkable progress in mass spectrometry over the last decade. The combination with optomechanical concepts should lead to further advances, thanks to the unprecedented sensitivity and bandwidth of optomechanical techniques. In this thesis, we have used the intense optomechanical coupling at work in gallium arsenide disk resonators to perform continuous and parallel optical tracking of multiple modes of vibration of a disk, optically excited by sinusoidal modulation of the input laser. A multi-physics model was developed to describe the optomechanical experiments under these conditions, including photothermal forces, radiation pressure, electrostriction, and non-linear absorption in the device. It allowed a quantitative interpretation of the multi-mode optical output signal, which carries useful detection information when an external stimulus disturbs the disk. Solid nanoparticles of femto-gram mass, and liquid droplets of a few tens of attolitres, were detected when they landed on a disk resonator, by measuring the frequency shifts of optical and mechanical resonances of the latter. These shifts were modelled using analytical and numerical tools, and allowed the mass and geometry of the objects adsorbed on the resonator to be assessed. This work demonstrates the effectiveness of optomechanical devices for mass measurement and, more generally, for the dual mechanical and optical analysis of nanometric objects. The first steps are thus taken towards a rapid and quantitative method for identifying biological particles and studying liquids at the nanometric scale.
Grâce à leurs petites dimensions, les systèmes nanomécaniques présentent une réaction forte aux perturbations externes, qui a mené à des progrès remarquables en spectrométrie de masse au cours de la dernière décennie. La combinaison avec des concepts optomécaniques devrait conduire à de nouvelles avancées, grâce à la sensibilité et la bande passante sans précédent des techniques optomécaniques. Dans cette thèse, nous avons utilisé l’intense couplage optomécanique à l’oeuvre dans les résonateurs à disque en arséniure de gallium pour réaliser un suivi optique, en continu et en parallèle, de multiples modes de vibration d’un disque, excités optiquement par modulation sinusoïdale du laser d’entrée. Un modèle multi-physique a été développé pour décrire les expériences optomécaniques dans ces conditions, incluant les forces photothermiques, la pression de radiation, l’électrostriction, et l’absorption non linéaire dans le dispositif. Il a permis une interprétation quantitative du signal multi-mode de sortie optique, qui porte l’information utile de détection lorsqu’un stimulus externe perturbe le disque. Des nanoparticules solides d’une masse de l’ordre du femto-gramme, et des gouttelettes liquides de quelques dizaines d’attolitres, ont été détectées lorsqu’elles se posaient sur un résonateur à disque, en mesurant les décalages en fréquence de résonances optiques et mécaniques de ce dernier. Ces décalages ont été modélisés à l’aide d’outils analytiques et numériques, et ont permis d’évaluer la masse et la géométrie des objets adsorbés sur le résonateur. Ce travail démontre l’efficacité des dispositifs optomécaniques pour la mesure de masse et plus généralement pour l’analyse duale, mécanique et optique, d’objets nanométriques. Les premiers pas sont ainsi effectués vers une méthode rapide et quantitative d’identification de particules biologiques, et d’étude de liquides à l’échelle nanométrique.
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tel-03784536 , version 1 (23-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03784536 , version 1

Citer

Samantha Sbarra. Analysis of individual nanodroplets and nanoparticles through a semiconductor optomechanical sensor. Physics [physics]. Université de Paris, Paris, FRA., 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03784536⟩
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