Acting on a brownian probe : from optical forces to optimal thermodynamic protocols

Agir sur une sonde brownienne : des forces optiques aux protocoles thermodynamiques optimaux

Yoseline Rosales Cabara (1)

1 ISIS - Institut de Science et d'ingénierie supramoléculaires

This thesis explores the behaviour of an optically trapped Brownian particle, both as a probe of optical forces and thermodynamic protocols. A particular optical trap is developed allowing the dynamic mode measurement of radiation pressure forces at the femtonewton scale. Such configuration allows to stably trap chiral metallic nanopyramides whose enantiomeric form can be recognized in situ by a polarimetric measurement coupled to the trap. This work paves the way for measurements of chiral optical forces at the nanoscale. Finally, we study protocols controlling the relaxation of the trapped particle between two equilibrium states. We theoretically identify protocols optimized from the point of view of the transfer time between the two equilibria and the associated energetic cost. We experimentally implement these protocols and demonstrate their optimality through a universal time-energy exclusion relationship.

Cette thèse explore le comportement d'une particule Brownienne piégée optiquement, à la fois comme sonde de forces optiques et de protocoles thermodynamiques. Un piège optique particulier est développé permettant la mesure en mode dynamique de forces de pression de radiation à l’échelle du femtonewton. Nous piégeons également des nanopyramides métalliques chirales dont la forme énantiomérique peut être reconnue in situ par une mesure polarimétrique couplée au piège. Ce travail ouvre la voie aux mesures de forces optiques chirales nanométrique à l'échelle nanométrique. Enfin, nous étudions les protocoles contrôlant la relaxation de la particule piégée entre deux états d’équilibre. Nous identifions théoriquement des protocoles optimisés du point de vue du temps de transfert entre 2 équilibres et de la dépense énergétique associée. Nous implémentons expérimentalement ces protocoles et démontrons leur caractère optimal au travers d’une relation d’exclusion temps-énergie universelle.

Mots clés: Optical traps; Weak forces; Chirality; Stochastic thermodynamics; Optimal control

Mots clés: Pièges optiques; Forces faibles; Chiralité; Thermodynamique stochastique; Contrôle optimale

Domaines: Physique [physics]

Yoseline Rosales Cabara. Acting on a brownian probe : from optical forces to optimal thermodynamic protocols. Physics [physics]. Université de Strasbourg, 2020. English. ⟨NNT : 2020STRAF032⟩. ⟨tel-03376526⟩