Acoustique et optique pour les nanosciences et le quantique - Synthèse de front d'onde

Equipe

Membre permanent : Jean-Louis Thomas

La manipulation d’objet solide sans contact est réalisable en utilisant les forces exercées par des champs électromagnétiques ou acoustiques [1,2]. Les pinces optiques en sont l’exemple le plus connu et valurent à A. Ashkin le prix Nobel 2018. Mais la phototoxicité et l’échauffement limitent les forces qu’il est possible d’exercer. Les pinces acoustiques dont nous avons démontré la faisabilité en utilisant des vortex acoustiques [3] permettent de dépasser cette limite. Une première démonstration expérimentale avec des ultrasons de fréquence 1 MHz a permis de manipuler des objets de l’ordre de 100µm [4] et calculer les forces appliquées à partir de la mesure de la pression acoustique [5]. Un dispositif utilisant les techniques de lithographie a permis de miniaturiser ce dispositif [6] qui pour une fréquence de 47 MHz piége des cellules biologiques [7].

Figure : Principe du fonctionnement d’une pince acoustique. Le faisceau ultrasonore est focalisé et la focale attire une bille située à proximité et la piège. Le faisceau acoustique à un front d’onde hélicoïdale si bien qu’à la focale l’intensité du champs est un anneau entourant l’objet piégé.

Collaborations

Regis Marchiano (Institut Jean le Rond d’Alembert), IEMN Lille

Publications

[1] J.-L. Thomas, R. Marchiano, D. Baresch. Acoustical and optical radiation pressures and the development of single beam acoustical tweezers. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 195, 55-66 (2017) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01438774

[2] M. Baudoin, J.-L. Thomas. Acoustical tweezers for particles and fluids micromanipulation. Annu. Rev. Fluid Mech. 52:205-234 (2020) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02332846

[3] D. Baresch, J.-L. Thomas, R. Marchiano. Spherical vortex beams of high radial degree for enhanced single-beam tweezers. J. Appl. Phys. 113, 184901 (2013) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01233808

[4] D. Baresch, J.-L. Thomas, R. Marchiano. Observation of a single-beam gradient force acoustical trap for elastic particles: Acoustical tweezers. Phys. Rev. Letters, 116, 024301 (2016) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01402355

[5] D. Zhao, J-L. Thomas and R. Marchiano. Computation of the radiation force exerted by the acoustic tweezers using pressure field measurements. J. Acoust. Soc. Am. 146 (3) 1650–60 (2019) https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-02325354

[6] M. Baudoin, J.-C. Gerbedoen, A. Riaud, O. Bou Matar, N. Smagin, J.-L. Thomas. Folding a focalized acoustical vortex on a flat holographic transducer: miniaturized selective acoustical tweezers. Sci. Adv. 5 (4) eaav1967 (2019) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01860887v1

[7] M. Baudoin, J.-L. Thomas, R. Al Sahely, J.-C. Gerbedoen, Z. Gong, A. Sivery, O. Bou Matar, N. Smagin P. Favreau A. Vlandas. Spatially selective manipulation of cells with single-beam acoustical tweezers » Nat Commun 11, 4244 (2020) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02926150

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