Thèse Pièges Optiques Multiplexés sur Puce à Champs Évanescents Complémentaires pour la Détermination de la Forme d'Objets Submicroniques en Solution H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique Direction de la thèse : Marc ZELSMANN ORCID 0000000276194871 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle approche de caractérisation optique d'objets submicroniques en solution à l'aide de plateformes optofluidiques intégrant des cavités à cristaux photoniques. Les travaux collaboratifs récents entre le LTM, le CEA/IRIG et le CEA/LETI/DTIS ont démontré la possibilité de piéger optiquement des bactéries individuelles, de distinguer des bactéries Gram-positives et Gram-négatives sans marquage, ainsi que de suivre en temps réel la lyse bactérienne induite par des bactériophages. Ces résultats ont mis en évidence que les signaux optiques issus des cavités contiennent des informations sensibles à la morphologie, à l'indice optique et aux dynamiques structurales des objets piégés.

Dans la continuité de ces travaux, cette thèse propose d'explorer une nouvelle problématique : peut-on inférer la forme d'un objet submicronique à partir de sa signature optique ? L'hypothèse centrale est que l'interaction entre un objet et des champs évanescents de géométries différentes génère une signature multidimensionnelle permettant d'accéder à des descripteurs de forme, de taille ou d'orientation.

Pour cela, le projet s'appuiera sur des réseaux de cavités photoniques présentant des distributions de champs complémentaires (cavités creuses, cavités à fente, cavités couplées, etc.). Chaque cavité produira une variation spécifique de longueur d'onde de résonance en présence de l'objet piégé. L'ensemble des décalages spectraux et des dynamiques temporelles constituera une signature optique multidimensionnelle exploitable par des méthodes de modélisation inverse et d'apprentissage automatique.

Le travail combinera modélisation électromagnétique (FDTD/FEM), conception et fabrication de dispositifs photoniques, expériences de piégeage optique et traitement avancé des données.

L'objectif final est de transformer les cavités photoniques optofluidiques en véritables outils prédictifs capables non seulement de détecter des objets biologiques ou nanoparticulaires, mais aussi d'en inférer certaines propriétés structurales de manière rapide, sans marquage et à l'échelle de l'objet unique.

Les applications visées concernent notamment la microbiologie, la phagothérapie, la caractérisation de nanoparticules et les biocapteurs photoniques avancés. Understanding and characterizing nanoscale biological objects in their native environment remains a major challenge in biophysics, microbiology, and nanomedicine. Conventional techniques such as electron microscopy or fluorescence imaging require labeling, fixation, or ensemble averaging, thus limiting access to real-time, single-object dynamics. Recent advances in optofluidics and nanophotonics have enabled the development of photonic crystal (PhC) cavities acting as on-chip optical nanotweezers, capable of both trapping and probing individual nanoscale objects in solution. These systems have shown that the optical signals from the cavities contain information sensitive to the morphology, refractive index, and structural dynamics of the trapped objects.

Le projet s'adresse à un(e) étudiant(e) titulaire d'un Master 2 ou diplôme équivalent en physique, photonique, nanosciences, ingénierie ou domaine connexe. Une formation solide en optique et en physique des dispositifs photoniques sera particulièrement appréciée.

Le ou la candidat(e) devra présenter un intérêt marqué pour la recherche expérimentale interdisciplinaire à l'interface entre nanophotonique, microfluidique et biophysique. Des compétences en simulation numérique (FDTD, FEM, COMSOL, Lumerical ou outils similaires) constitueront un atout important. Une expérience en instrumentation optique, traitement de données ou programmation scientifique (Python, Matlab, etc.) sera également valorisée.

Le projet comportant une forte dimension exploratoire et multidisciplinaire, des qualités d'autonomie, de curiosité scientifique, de rigueur expérimentale et de capacité à travailler en équipe seront essentielles. Un intérêt pour les approches de traitement avancé des données et d'intelligence artificielle appliquées à la physique constituera également un avantage.