Séminaires - Colloquiums - Institut des Sciences de la Lumière
Nano-optics with fast electrons
Mathieu Kociak
mathieu.kociak@universite-paris-saclay.fr
Laboratoire de physique des solides (LPS), CNRS, Université Paris-Saclay
Hunting optical phenomena at the nanometer scale, namely performing nanooptics, is paradoxical. On the one hand, the typical length-scale relevant for optics is of the order of a visible radiation wavelength: few hundred of nanometers. On the other hand, optical properties of nano-objects become to depart from bulk properties when the nano-objects become smaller than a few hundred of nanometers. This is for example the case of plasmons in metallic nanoparticles. In this case, the optical properties depend on minute variations of the size and shape of the nano-objects. Even more, the morphology or structure of nano-objects may have to be known with atomic resolution, such as in the case of quantum dots or quantum wells. Therefore, techniques that are not limited by the optical diffraction limit have been developed in the last 15 years to make possible to study novel optical nanomaterials and the novel physics they brought.
In this talk, I will introduce a family of such techniques. They use free electron beams – such as delivered in a transmission electron microscope – to perform optical spectroscopy at the nanometer scale. I will show how they can be used to map plasmons, excitons, photonic modes and even phonons with unbeatable spatial resolution. Beyond their impressive success in generating nice images, I will show how it is now possible to quantitatively understand such experiments in pure optical terms, such as extinction and scattering cross-sections or electromagnetic local density of states. Then, I will present the use of free electron beams to perform quantum optical measurements, and introduce very recent techniques that ally the spatial resolution offered by free electrons and the spectral resolution given by lasers.
- 23 mai 2024 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Pour assister à la conférence à distance : https://uvsq-frzoom.us/j/98608491667?pwd=QlZ1SXF3cHBjNXlneGFLNmRjeUkvQT09
Les spécificités des matériaux anciens à l’aune de leur étude en imagerie
Mathieu Thoury
mathieu.thoury@ipanema-remote.fr
IPANEMA - UVSQ, MCC, CNRS, Université Paris-Saclay.
Les matériaux anciens recouvrent une forte diversité de composés constituant les objets du patrimoine culturel, de l’archéologie, de la paléontologie et des paléo-environnements. Leur étude est motivée tout à la fois par le fait qu’ils constituent des archives matérielles qui permettent une meilleure compréhension du passé, et, d’autre part, des objets dont il est important d’assurer leur préservation au cours du temps pour en assurer leur transmission. Cette forte hétérogénéité est à la fois compositionnelle, les matériaux pouvant être biologiques, minéraux , métalliques ou hybrides, mais également aux transformations, d’origine anthropique ou naturelle, dont ils ont fait l’objet au cours de leur usage ou de leur interactions avec leur environnement de conservation ou d’enfouissement, ce qui les rend très difficilement reproductibles. Ces spécificités ont un impact fort sur les méthodologies mises en place pour leur étude en imagerie, utilisant notamment les sources synchrotron. Avec quelles sondes, à quelles échelles, avec quelle sensibilité et au moyen de quels marqueurs est il possible d’accéder aux informations associées à l’historicité de ces objets et quels choix analytiques peuvent être privilégiés pour y parvenir?
IPANEMA, en collaboration avec de nombreux laboratoires et institutions patrimoniales, développe une recherche méthodologiques visant à la mise en place de nouvelles imageries photoniques et de traitements statistiques optimisés pour l’étude de systèmes hétérogènes, dans le but d’identifier et d’exploiter des marqueurs de leur histoire physico-chimique permettant de mieux appréhender leur passé (fabrication/synthèse, usage et d’altération) et anticiper leur évolution future. Le croisement de ces travaux, menés sur des œuvres artistiques du 20 siècle, des artefacts archéologiques mésopotamiens ou sur des spécimens fossiles, associés à la crise du Permien-Trias, ont également irrigué une réflexion épistémologique sur les pratiques expérimentales développées ainsi qu’une une approche réflexive mettant en lien pratique interdisciplinaire, développements méthodologiques et étude des propriétés physico-chimiques, communes à ces systèmes. Cette communication visera à exposer des travaux de recherches illustrant sur les inspirations réciproques entre l’optimisation de méthode d’analyse et l’étude de l’hétérogénéité multi-échelles de systèmes anciens spécifiques, afin de mieux comprendre de processus d’altération aux temps long, les étapes clefs des trajectoires de fossilisation, ou de conservation exceptionnelle, dans l’objectif d’enrichir notre connaissance du passé.
- 15 Mars 2024 à 11h à l'AMPHITHÉÂTRE de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Pour assister à la conférence à distance :
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L'année dernière séminaires - colloquiums 2023
Attosecond pulses for studying ultrafast electron dynamics
Anne L’Huilier
Division of Atomic Physics, Department of Physics, Université de Lund, Suède.
Extreme Ultraviolet light sources based on high-order harmonic generation in gases are now used in many areas of science. The radiation consists of a train of extremely short light bursts, in the 100-attosecond range, allowing for outstanding temporal resolution. This presentation will give a short historical perspective on this field of research and an introduction to the physics of these XUV sources.
Attosecond pulses have enabled the study of photoionization of atoms and molecules in a completely new way. Through the availability of synchronized probe fields and interferometric measurements, it has become possible to measure the incredibly small-time delay in photoionization, a concept introduced by E. Wigner in 1955, and to characterize the quantum state of a photoelectron.
- 29 juin 2023 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Silicon photonics in the mid-infrared spectral range for sensing application
Delphine Morini
delphine.morini@universite-paris-saclay.fr
Centre for Nanoscience and Nanotechnology - Université Paris Saclay - CNRS
Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The demonstration of mid-IR photonic circuits on silicon chips will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, low weight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 μm.
In this context, recent works on the development of graded-SiGe photonic integrated circuits will be presented. First passive devices will be reviewed. It will be shown that graded-SiGe waveguides can be used in an unprecedent spectral range, up to 11 μm wavelength. Mach Zehnder interferometers, resonators and integrated Fourier transform spectrometers will be reviewed. Then, the demonstration of large bandwidth optical source on chip based on non-linear optical effects of SiGe waveguides, and the realization of optoelectronic devices (modulator and photodetector) will be presented.
- 13 juin 2023 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
La photosynthèse artificielle
Ally Aukauloo
ally.aukauloo@universite-paris-saclay.fr
ICMMO, Université Paris-Saclay
Photosynthesis is the process that uses sunlight as sole energy input to flush carbon dioxide (CO2) from our atmosphere and convert it into a chemical energy vector. Chemists worldwide are devoting much effort to develop advanced materials that can capture light to activate and transform very stable molecules i.e., water and carbon dioxide, the key ingredients, into energy rich molecules. I will discuss on the three aspects of Capturing photons, Converting them into a chemical potential and performing multi-electron Catalysis, the three Cs of Artificial Photosynthesis research.
La photosynthèse est le processus qui utilise la lumière du soleil comme unique apport d'énergie pour chasser le dioxyde de carbone (CO2) de notre atmosphère et le convertir en un vecteur d'énergie chimique. Les chimistes du monde entier consacrent beaucoup d'efforts au développement de matériaux avancés capables de capter la lumière pour activer et transformer des molécules très stables, à savoir l'eau et le dioxyde de carbone, les ingrédients clés, en molécules riches en énergie. Je discuterai des trois aspects de la capture des photons, de leur conversion en un potentiel chimique et de la réalisation d'une catalyse multi-électronique, les trois C de la recherche sur la photosynthèse artificielle.
- 16 Février 2023 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Le télescope Webb : un géant dans l’espace
Pierre-Olivier Lagage
Astrophysicien au CEA Paris-Saclay
Le 25 décembre 2021, le télescope Webb, le plus grand et le plus complexe jamais construit, a été lancé depuis Kourou par une fusée Ariane 5. Deux semaines plus tard, le télescope était complètement déployé et fin janvier, il était en orbite autour du point L2 de Lagrange (1,5 million de km de la Terre). Ensuite, les 18 hexagones qui constituent le miroir primaire ont été phasés et les quatre instruments mis en service. À bien des égards, les performances sont meilleures que les exigences et au mieux de ce que nous pouvions espérer. En juillet, les observations scientifiques ont commencé. Grâce à sa vaste surface collectrice (25 mètres carrés) et sa grande couverture en longueur d’onde (de 0,6 à 28 microns), cette mission phare de la NASA avec la participation de l’Europe et du Canada, aura un impact sur de nombreux domaines en astrophysique. En effet, il permet d’observer plus loin que Hubble et ainsi sonder l’Univers à l’époque où les premières galaxies se sont formées, quelques centaines de millions d’années après le big bang. Il permet également de sonder les régions où les étoiles se forment avec une acuité sans précédent. Un autre exemple de champs qui vont bénéficier des observations avec Webb est l’étude des exoplanètes. Au cours du séminaire, je présenterai les performances et les premiers résultats de Webb en me concentrant sur les exoplanètes.
- 10 Janvier 2023 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Séminaires - colloques des années précédentes
Dépasser la limite de diffraction en microscopie de fluorescence
Sandrine Lévêque-Fort
sandrine.leveque-fort@universite-paris-saclay.fr
Institut des sciences Moléculaires d’Orsay, Université Paris Saclay, CNRS, 91405 Orsay
La microscopie de fluorescence est un outil de référence dans l’étude des systèmes biologiques, alliant la spécificité offerte par la fluorescence et la possibilité d’un suivi morphologique et fonctionnel in vivo. Les récents développements couronnés par le prix Nobel de chimie ont permis de dépasser la limite de diffraction et ainsi d'accéder à des informations à l'échelle nanométrique jusque-là inaccessibles. En particulier les techniques de localisation de molécules uniques (PALM/STORM)(1–3), permettent d’atteindre des précisions de localisation latérales de quelques nanomètres. Cependant comme pour l’ensemble des techniques super-résolues, l’amélioration suivant la direction axiale reste un challenge important afin de tendre vers un nanoscope de résolution isotrope et de plus capable d’imager également en profondeur (plusieurs dizaines de microns)(4).
Après une introduction sur le domaine, je présenterais différents développements réalisés à l’ISMO pour répondre à ce besoin d’imagerie 3D quantitative, illustrés par différentes applications biologiques. En particulier, nous exploitons directement des propriétés intrinsèques des fluorophores comme leur champ proche pour les localiser axialement(5–7) et ainsi répondre notamment à des problématiques d’adhésion cellulaire. Pour positionner les émetteurs fluorescents individuels à grande profondeur (plusieurs dizaines de microns), nous utilisons une stratégie différente, basée sur l’introduction d’une excitation modulée temporellement qui permet de localiser les fluorphores via la phase de leur signal modulé avec une précision uniforme sous les 7 nm(8).
Je conclurai sur les perspectives actuelles du domaine, et montrerai également qu’au-delà des applications en biologie, la localisation de molécules uniques peut également être utilisée dans l’observation de matériaux nanostructurés (9, 10).
References :
1. W. E. Moerner, Accounts of Chemical Research 29, 563–571 (1996).
2. S. T. Hess, et al., Biophysical Journal 91, 4258–4272 (2006).
3. M. J. Rust, et al., Nature Methods 3, 793–796 (2006).
4. A. von Diezmann, et al., Chemical Reviews 117, 7244–7275 (2017).
5. N. Bourg, et al., Nature Photonics 9, 587–593 (2015).
6. C. Cabriel, et al., Nature Commun 10, 1–10 (2019).
7. T. Orré, et al., Nature Commun 12, 3104 (2021).
8. P. Jouchet, et al., Nature Photonics, 1–8 (2021).
9. G. Cattinari, et al., ACS Appl. Nano Mater. 4, 6722–6733 (2021). 10. A. F. Koenderink et al., Nanophotonics, 11, 169 (2022).
- 14 Septembre 2022 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Watching atoms and electrons in action with HHG and short wavelength free electron laser sources
Kiyoshi UEDA
Tohoku University, Sendai, Japan
The present talk will illustrate the current status of short-wavelength free-electron laser (FEL) experiments, focusing on characteristic properties of different facilities and compare them with laboratory-based HHG source experiments. The advent of hard x-ray FELs, such as SACLA in Japan, opened a route to extract the structure of a single nanoparticle [1] and its change upon the intense laser irradiation, which transforms the nanoparticle into a nanoplasma [2]. The first high repetition rate soft x-ray FEL, the European XFEL, combined with a Reaction Microscope/COLTRIMS, made the long-standing dream to watch atoms in action - initiated by photoexcitation of a molecule - a tangible reality, using the so-called core-level photoelectron diffraction technique for fixed-in-space molecules [3]. Generation of two-color attosecond pulse pairs at the LCLS in the USA finally opened the door to watching charge migration in a molecule, before the nuclear dynamics sets in, with an attosecond transient absorption technique based on the detection of resonant Auger electrons [4]. Generating phase-coherent multi-color pulses at FERMI, on the other hand, provided a novel approach to coherently control the electronic wave-packets [5] and to read out the photoionization phase [6]. One can also directly access the energy dependent photoionization phases, or the photoionization time delays, by using the RABBITT technique with a laboratory-based HHG source, or attosecond pulse trains, which could also be used for studying the attosecond trapping of photoelectrons by the molecular shape resonances [7]. These works were carried out by a wide range of international collaborations. I acknowledge all the collaborators in the authors list of [1-7] for fruitful collaborations.
References :
[1] A. Niozu et al., IUCrJ 7, 276 (2020); A. Niozu et al., PNAS 118, e2111747118 (2021).
[2] T. Nishiyama et al., PRL 123, 123201 (2019); A. Niozu et al., PRX 11, 031046 (2021).
[3] G. Kastire et al., PRX 10, 021052 (2020).
[4] T. Barillot et al., PRX 11, 031048 (2021).
[5] K. Prince et al., Nature Photonics 10, 176 (2016); D. Iablonskyi et al., PRL 119, 073203 (2017).
[6] M. Di Fraia et al., PRL 123, 213904 (2019); D. You et al., PRX 10, 031070 (2020).
[7] X. Dong et al., PRX 12, 011002 (2022).
- 28 Juin 2022 à 11h au LIDYL, CEA Paris-Saclay, L'Orme des Merisiers, Bât 701, salle 17C, 91191 Gif-sur-Yvette
To attend the meeting via zoom:
https://cnrs.zoom.us/j/93622375451?pwd=b0lUR2xWRUpHU1htZVVBV3dONW1vdz09
Pollution/Climat : Que peut-on voir depuis l'espace avec le sondeur infrarouge IASI ?
Cathy Clerbaux
LATMOS/IPSL, UVSQ Université Paris-Saclay, Sorbonne Université, CNRS, Guyancourt, France
Le sondeur infrarouge IASI, construit par le CNES, vole à bord des 3 satellites Metop depuis 2006. Après plus de 15 années passées en orbite, le bilan de la mission IASI, en termes de retour scientifique, technologique et d’impact sociétal, est impressionnant. Les services météorologiques ont établi qu’il s’agit du meilleur sondeur météorologique jamais développé, apportant une contribution essentielle à la qualité des prévisions météorologiques. IASI est aussi le seul instrument qui mesure simultanément deux fois par jour en tout point du globe une vingtaine de composés atmosphériques, en temps réel.
L’exposé donnera des exemples des avancées récentes pour le suivi de la composition atmosphérique: les observations permettent de surveiller les pics de pollution au-dessus de l’ile de France, les panaches de gaz qui s’échappent de Chine, les grands feux qui font rage en été, les émissions d’ammoniac associées à l’agriculture intensive (première cartographie effectuée depuis l’espace), les épisodes météorologiques exceptionnels, ou encore la formation du trou dans la couche d’ozone. IASI a aussi joué un rôle important dans la fourniture de données permettant d’émettre des alertes rapides lors d’éruptions volcaniques, afin d’éviter le survol des zones contaminées en cendre par les avions ou de mettre en place des alertes d’évacuation des populations locales.
- 19 Mai 2022 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Polaritons in semiconductor lattices: emulating condensed matter physics
Jacqueline Bloch
jacqueline.bloch@universite-paris-saclay.fr
Center for Nanoscience and Nanotechnology, C2N / Université Paris Saclay / CNRS, Palaiseau, France
Photonic resonators, coupled within a lattice, have appeared in the recent years as a powerful synthetic platform to imprint on light some of the fascinating physical properties that can emerge in condensed matter, or even to go beyond what exists in nature. For instance, light can become superfluid, present spin orbit coupling, spin Hall effect or propagate along topologically protected edge states. New physical properties may emerge when drive and dissipation come into play. Such realizations are not only interesting from a fundamental point of view, but also inspire innovative photonic devices.
After a general introduction to polariton physics and polariton lattices [1], I will present some recent experiments we have performed at C2N. Using lattices of semiconductor microcavities, we explore single and many body physics of photons in 1D or 2D lattices and the emergence of novel physics related to the openness of the system [2]. Topological physics can be investigated when non-linearities come into play[3]. Interestingly, our photonic platform also enables exploring universal scaling related to the Kardar–Parisi–Zhang universality class [4].
References :
[1] Ciuti and I. Carusotto, Quantum fluids of light, Rev. Mod. Phys. 85, 299 (2013).
[2] A. Amo and J. Bloch, Exciton-polaritons in lattices: A non-linear photonic simulator, Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 8, 805 (2016) (Elsevier).
[3] N. Pernet et al., Topological gap solitons in a 1D non-Hermitian lattice, arXiv:2101.01038 (to appear 2022).
[4] Q. Fontaine et al., Observation of KPZ universal scaling in a one-dimensional polariton condensate, arXiv:2112.09550 (2021).
- 22 Avril 2022 à 11h à l'AUDITORIUM de l'Institut d’Optique, 2 Av. Augustin Fresnel, 91127 Palaiseau
Rise of the Machines: Making better photons by getting rid of experimentalists
Andrew White
Jihun Cha , Sebastian Malewicz , Fatemeh Mohit , Marcelo Alemida , Till Weinhold , and Andrew White
Centre for Engineered Quantum Systems , School of Mathematics and Physics , University of Queensland, Brisbane 4072, Australia
There is now an enormous opportunity to interconnect quantum components together into complex short and long range networks of sensing communication, and computational elements Photons are a natural choice for networking quantum technologies as their quantum nature survives at room temperature and long distance propagation is possible, either via optical fibre or through free space.
Here we explore using machine learning ( to optimise production, coupling routing and circuitry for single photons Our single photon source platform is resonant excitation of individual quantum dots coupled to a micropillar cavity Multiphoton suppression in the quantum dot emission as well as single photon indistinguishability and brightness are directly influenced by the spatiotemporal characteristics of the optical excitation pulses We use ML techniques to tailor the excitation laser pulse properties in real time, significantly reducing the search time for optimal parameters We also employ ML to control a deformable mirror correcting for aberration on the single photon wavefront field to maximise the coupling between the source output and a single mode fibre This combination provides a toolbox for enhancing the performance of any solid state single photon source.
Photonic integrated circuits ( will be essential for scalaby realising photonic quantum technologies Actively coupling photons into PICS requires high fidelity integrated switches Current best practice manual optimisation of electronic signals for each individual switch on a chip is slow and unscalable We use ML simulated annealing to optimise driving parameters for up to 4 switches on a single chip, achieving a significant speed up in tuning while retaining optimal performance PICS often interface light in and out of the chip using edge coupling which severely limits chip geometry as well as adding complication to fabrication Using ML inverse design we are developing efficient out of plane couplers and small footprint waveguide crossings that are easier to manufacture and have higher circuit density This new architecture lowers entry costs for photonic integrated circuitry development.
- 25 Mars 2022 à 14h à l'amphithéâtre C2N - Centre de nanosciences et de naotechnologies, Palaiseau.
L'imagerie EUV pour explorer le Soleil : premiers résultats de la mission Spatiale Solar Orbiter
Frédéric Auchère
Astronome
frederic.auchere@universite-paris-saclay.fr
Institut d'Astrophysique Spatiale
L'imagerie et la spectroscopie UV/EUV sont des outils indispensables pour l'astrophysique. Les couronnes solaire et stellaires sont des plasmas portées à des températures de l'ordre du million de degrés qui émettent de nombreuses raies d’émission dans cette gamme du spectre. La mission Solar Orbiter, lancée avec succès en février 2020, embarque à son bord plusieurs instruments UV/EUV, réalisés avec une forte contribution de laboratoires français. Les caractéristiques uniques de l'orbite de la sonde l'amèneront à 0.29 unités astronomiques et 35° d’inclinaison par rapport au plan de l'écliptique, permettant des vues inédites de notre étoile. Nous verrons les caractéristiques principales des instruments utilisés ainsi que les premiers résultats déjà obtenus, dont des images parmi les plus détaillées jamais réalisées de la couronne du Soleil.
- 15/03/2022 à 11h à l’Auditorium de l’Institut d’Optique (2 Av. Augustin Fresnel, 91120 Palaiseau)
Lien zoom pour assister au séminaire
Bright and Fast: Lasers to Capture the Dance Between Electrons and Nuclei in Molecular Systems
Nora Berrah
Chaire Blaise Pascal de la région d’Ile de France*
University of Connecticut, Physics department, Storrs, CT, USA
Groupe AttoPhysique, LIDYL, Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, France
Photoionization of atoms, molecules, and small complexes creates a fundamental testing ground to understand better quantum mechanical phenomena arising from the interaction of photon with matter. With the ultrafast (~10-15 s) light sources, such as lab-based tabletop lasers and facility-based free electron lasers (FELs), one can investigate molecular processes in the time domain, thus mapping out their evolution. In that regard, it is possible to “make a molecular movie” of ultrafast reaction dynamics. In the seminar, we will present some of our work using photons in the XUV and X-ray regime from the Linac Coherent Light Source (LCLS) FEL at SLAC National Laboratory as well as the FLASH FEL in Hamburg, Germany.
- 22/02/2022 à 11h à l’Auditorium de l’Institut d’Optique (2 Av. Augustin Fresnel, 91120 Palaiseau)
* Action financée par la région d'lle de France
