Ionic contrast terahertz imaging Surface Plasmons polaritons statistical physics.
Imagerie de contraste ionique térahertz Physique statistique des plasmons polaritons de surface.
Résumé
The understanding of neuron physiology and functioning still presents challenges whose resolution lie at the interface between physics and biology. Such is the case for all cells presenting an important molarity difference between their distinct membrane bound compartments. Therefore, controlling water exchanges between these compartments during neuronal activity could drastically change the accuracy of the model used to describe action potential propagation. In order to investigate these issues a new method has been designed: Ionic contrast terahertz microscopy. It is based on the high sensitivity of terahertz radiation to ions in water solutions. Therefore a system of terahertz generation with semi-conductor antennas has been designed. The diffraction limit challenge, which reduces resolution to 300 µm in the terahertz range, has been overcome by the combination of near field imaging with aperture and a new technique of analysis that allows detecting spatial variation with a resolution better than ?/100. This analysis technique which is also an experimental configuration was named contrast near field. Ionic contrast terahertz microscopy allowed confirming that water is implied in most biological activity of neurons. Furthermore, it allowed us to quantify these water exchanges. One of the main consequences is that water may no longer be neglected in all modelization of neuron activity. Finally, this technique was also adapted to record cardiac cell activity with time resolution. Energy associated to the terahertz spectrum allows the investigation of large motion in biological molecules. However, the signal must be enhanced in order to have analyzable results. Thus plasmonics was investigated. The lack of specific activity of most metals in the terahertz range, leads to the conclusion that materials with subwavelength structures may be necessary to these studies. Ebbesen's subwavelength hole arrays were the center of the study. Experiments and modelization were focused on these arrays. A modified Fano model was designed and was found to be able to describe the transmission of the arrays. It was also able to model the evolution f the signal with the size and shape of holes. Furthermore, interaction between plasmon polaritons was investigated. Finally, unusual modelizations designed to describe experiments lead to a model based on phase transition and stochastic resonances. Results of these investigations show that there are many new questions arising and that the physics of the interactions between light and subwavelength hole arrays remains not understood.
La physiologie et le fonctionnement de cellules nerveuses ainsi que de cellules présentant une différence conséquente de molarité entre différents compartiments, restent des questions très actuelles à l'interface de la physique et de la biologie. Ainsi la possibilité d'échanges d'eau lors du fonctionnement de neurones pourrait changer de manière assez radicale la façon dont leur activité est modélisée. Afin de chercher a visualiser ces échanges une technique: la microscopie de contraste ionique térahertz a été développée. Elle est basée sur la grande sensibilité du rayonnement térahertz aux concentrations ioniques dans l'eau. Ainsi un système de génération et de mesure de rayonnement basées sur des antennes semi-conductrices fut construit. Le problème de la limite de diffraction, qui réduit les mesures par rayonnement térahertz à une résolution de l'ordre de 300 µm, fut résolu par le couplage d'imagerie de champ proche avec ouverture avec une technique d'analyse permettant de visualiser des variations spatiales avec une résolution dépassant ?/100. Cette technique d'analyse qui est aussi une configuration expérimentale fut nommée le contraste de champ proche. La microscopie de contraste ionique térahertz a permis de confirmer les échanges d'eau lors d'un ensemble d'activités biologique liés aux neurones. De plus il a permis de quantifier de manière précise les volumes d'eau déplacés. Ceci ayant pour conséquence majeure que l'eau ne peut être négligée dans l'activité biologique neuronale. De plus cette technique a pu être étendue à d'autres systèmes biologiques, comme des cellules cardiaques et a ainsi permis la mesure résolue en temps des flux d'ions à l'intérieure de celles-ci. Le positionnement énergétique du rayonnement térahertz fait de lui un outil puissant dans l'étude de processus de transformations sur de longues molécules biologiques. Cependant un rehaussement du signal parait indispensable. C'est ainsi que son couplage possible avec de la plasmonique fut envisagé. L'absence d'activité spécifique de l'immense majorité des métaux dans cette zone du spectre a poussé l'étude vers des matériaux présentant des structures de taille inférieure à la longueur d'onde. Les réseaux de trous d'Ebbesen furent le système principal étudié. L'étude se focalisa sur la modélisation des phénomènes physiques ayant lieu lors de l'interaction du rayonnement térahertz avec celle-ci. Ainsi un modèle de Fano modifié s'est montré capable de modéliser la transmission des plaques ainsi que la dépendance en taille et en forme des trous, du signal transmis. De plus il fut montré que les plasmons polaritons générés à la surface de ces plaques peuvent interagir entre eux. Enfin une modélisation inhabituelle a vu décrire un certain nombre d'expériences sur ces plaques par! des transitions de phases et de la résonance stochastique. Les travaux sur ce sujet montrent qu'il reste encore beaucoup de phénomène non compris sur la nature des interactions entre la lumière et les réseaux de trous de taille inférieure à la longueur d'onde.
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