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Operation of Cavity Optomechanics in Fluids for Ultrasensitive Mass Detection

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Les capteurs à nanofil pénètrent dans les cellules

La lumière et la matière interagissent de façon intéressante à l'intérieur des systèmes nano-optomécaniques. Des appareils révolutionnaires à base de nanofils exploitant la force quantique de la lumière devraient permettre une détection ultrasensible des mouvements moléculaires à l'intérieur des cellules vivantes.

Technologies industrielles

Dans les cavités optomécaniques à l'échelle nanométrique, les photons rebondissent sur des miroirs. Leur quantité de mouvement est suffisamment amplifiée pour provoquer la déviation mécanique d'un oscillateur. L'exploitation de l'optomécanique en cavité pour détecter ces déviations a permis la réalisation de détecteurs de masse et de force, d'une sensibilité sans précédent. Cependant, lorsque les dimensions du système mécanique passent en dessous de la longueur d'onde optique, un phénomène de diffraction réduit l'effet de l'amplification. Le projet OPTONANOMECH («Operation of cavity optomechanics in fluids for ultrasensitive mass detection»), financé par l'UE, a résolu ce problème et ouvert la voie à des mesures ultrasensibles à l'intérieur même des cellules vivantes. Les scientifiques ont pu avancer en utilisant une oscillation active pour parvenir à une haute sensibilité à température ambiante et sans conditions de vide. Le résonateur nanomécanique est intégré à un circuit photonique, de façon à ce que le mouvement et sa détection soient totalement optiques. Grâce à l'oscillation active résultant de l'action en retour de la cavité, il n'est plus nécessaire d'utiliser une excitation permanente par courant alternatif. Cette méthode élimine les contraintes de taille imposées par les connexions électriques, et surtout elle résout le problème de diffraction et apporte une sensibilité sans précédent. Elle ouvre ainsi la porte à la conception de systèmes à base de cavités qui pourraient effectuer des mesures à la limite quantique (la limite de précision des mesures à l'échelle quantique, due aux effets de rétroaction). Comme il n'est plus nécessaire d'utiliser une excitation externe, la conception de ces nouveaux de détecteurs en sera grandement simplifiée. En utilisant un système de détection optique à semi-conducteur basé sur des nanofils courts, les scientifiques ont pu mesurer dans un fluide des masses de l'ordre de quelques zeptogrammes (s'approchant de la masse d'un proton ou d'un atome d'hydrogène). Une telle sensibilité permettrait de détecteur un événement ligand-récepteur isolé (la connexion de type clé-serrure qui lie les molécules aux récepteurs). Ces évènements sont une base de la signalisation intra et intercellulaire. Etant donné que les nanofils peuvent pénétrer dans la membrane cellulaire, le système est également bien adapté à la diffusion intracellulaire de médicaments et de gènes ainsi qu'au suivi intracellulaire. La détection ultrasensible de masses et de forces dans des liquides à température ambiante ouvre la voie à la détection d'événements biologiques dynamiques, en temps réel et dans des conditions réalistes. Lorsque cette technologie quittera le laboratoire pour être utilisée en clinique, on disposera d'un nouvel outil révolutionnaire pour le diagnostic, le suivi et la thérapie. OPTONANOMECH ouvre la voie à cette révolution.

Mots‑clés

Capteurs à nanofil, optomécanique, détection ultrasensible, cellules vivantes, sous-longueur d'onde, optomécanique en cavité, oscillation active, action en retour, système de détection optique, fluide, suivi intracellulaire

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