Extraits de mon rapport d’activité 2020
Mes recherches se caractérisent par 3 axes complémentaires. Sur le plan conceptuel, elles portent principalement sur l’étude des fluctuations thermiques et sur les informations physiques que l’on peut en extraire, et s’inscrivent ainsi dans le domaine de la physique statistique. En pratique, les systèmes modèles étudiés sont souvent de taille micro- ou nano-métrique, et se présentent sous la forme d’objets quasi-1D : micro-leviers, nanotubes, nanofils. Je m’intéresse ainsi à leurs propriétés mécaniques, thermiques, d’interaction avec un faisceau sonde, et le couplage de ces phénomènes. Enfin, mes recherches s’appuient sur un développement instrumental de pointe, notamment des interféromètres différentiels à quadrature de phase (QPDI) et des microscopes à force atomique (AFM) à très haute résolution de force que je développe au sein du laboratoire depuis une quinzaine d’années.
À température ambiante, l’agitation aléatoire des atomes (le bruit thermique) excite les modes résonants d’un levier AFM. Le bruit de fond de notre système interférométrique est 10 fois inférieur à un système commercial, permettant une mesure bien plus précise des fluctuations de la déflexion.
Au niveau conceptuel, j’utilise notamment le bruit thermique comme une sonde de la réponse, détournant ainsi cette habituelle nuisance en un véritable outil de mesure. En effet, le théorème fluctuation-dissipation pour les systèmes à l’équilibre, ou les théorèmes de fluctuation et relations dérivées pour les systèmes hors d’équilibre, fournissent des outils originaux pour appréhender la physique des objets ou interactions étudiés. Je développe donc des approches analytiques appliquées aux systèmes nanométriques pour expliciter les manifestations de ce bruit thermique (répartition en fréquence et en espace dans les modes propres résonants par exemple). En conjonction avec notre précision de mesure inégalée de ces fluctuations, nous obtenons des résultats originaux, tant par la méthode expérimentale que par la méthode d’analyse des données.
Mes thématiques de recherches sont ainsi centrées sur la micro- et nano-mécanique et l’étude des interactions à l’échelle nanométrique, notamment via leurs fluctuations :
- Dissipation dans les couches minces (revêtements métalliques ou diélectriques, dont ceux des miroirs des détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et VIRGO).
- Caractérisation mécanique de micro-oscillateurs: sondes de force, rhéologie passive…
- Adhésion de nanotubes de carbone, statique et dynamique du contact.
- Fluctuations dans les systèmes hors d’équilibre : comment généraliser le théorème fluctuation dissipation et comprendre/utiliser le bruit thermique en général ?
- Thermodynamique stochastique : Comment appliquer la thermodynamique à des systèmes mésoscopiques ? Peut-on accélérer les relaxations dans les systèmes dissipatifs ?
Expérimentalement, je m’appuie sur des interféromètres et des AFM que j’ai conçus et développés au laboratoire. Leur système de détection (QPDI) permet de mesurer des déformations avec une résolution atteignant 10-16 m/√Hz sur une large gamme d’entrée (quelques µm), un résultat sans équivalent au plan international. La mesure est de plus intrinsèquement calibrée et donne des résultats quantitatifs. Nos outils se distinguent clairement en spectroscopie de force, où la résolution améliorée de deux à trois ordres de grandeur et la calibration de la détection ouvrent de larges perspectives d’applications.