Originaire de Croatie  

Habite à Lausanne

Scientifique, PhD, EPFL antenne neuchâteloise

Ivan Michel Antolovic

Michel Antolovic est originaire de Croatie. Après avoir vécu sur les magnifiques côtes de ce pays, il s’installe à Zagreb où il suit une licence et un master en ingénierie électrique. Attiré par la Suisse et par la réputation de l’EPFL, il rencontre le Professeur Charbon qui lui propose un poste de doctorant à Delft. Ses recherches portent alors sur la microscopie de super-résolution, et plus spécifiquement sur le moyen de franchir la barrière de la diffraction pour dépasser la résolution de 200 nanomètres tout en continuant à utiliser la lumière. En 2014, un prix Nobel récompense le travail de trois scientifiques dans le domaine de la microscopie optique de super-résolution. Grâce à leurs avancées, il est enfin possible d’observer des structures à l’échelle nanométrique au sein de cellules, y compris des molécules individuelles, avec un meilleur contraste et une résolution plus élevée, par l’ajout de molécules fluorescentes à l’échantillon.

Quelles sont les difficultés rencontrées pour visualiser des particules nanométriques ?

Imaginez que vous essayez d’observer au microscope un point précis d’une taille infinitésimale, une molécule par exemple, qui mesure moins de 200 nanomètres. Du fait de la diffraction, vous ne verrez jamais rien d’autre qu’un point de 200 nanomètres. Imaginez maintenant que vous tentez d’observer de multiples points très rapprochés : les émissions lumineuses se chevauchent et il est impossible de distinguer les points les uns des autres. Ce phénomène s’explique encore par la diffraction : lorsque nous observons la lumière en tant qu’onde, ses propriétés de diffraction sont liées à sa longueur d’onde spécifique.  

Pour prendre un exemple simple, imaginez de la lumière transmise par une petite ouverture. La lumière sort de cette ouverture selon une distribution angulaire donnée. Ainsi le point lumineux produit pourrait être d’une taille supérieure à celle de l’ouverture. Un phénomène similaire se produit avec un microscope : si deux objets de petite taille sont très proches, la lumière diffractée donnera l’impression que ces objets (ou points) se chevauchent et il sera difficile de distinguer qu’il y a bien deux objets et non un seul.

L’une des méthodes permettant de surmonter ce problème consiste à allumer ces points en alternance, pour qu’à un moment donné, un seul d’entre eux soit visible. Connaissant la distribution de l’intensité lumineuse de ces points, nous pouvons estimer où se trouve leur centre. Cette méthode permet d’atteindre une résolution de 10 nanomètres.

Quelles sont les applications de cette méthode ?

Ses applications concernent la recherche moléculaire. Les techniques fondées sur ce principe ont un inconvénient majeur : il est difficile de les utiliser avec des échantillons vivants. Il faut généralement tuer les cellules avant de pouvoir les analyser. Pour surmonter cela, les développements récents planchent sur des techniques d’imagerie de super-résolution utilisables sur des cellules vivantes.  

Quelles autres recherches menez-vous ?

Le second volet de mes activités est dédié aux puces et aux détecteurs de lumière (les détecteurs SPAD en particulier) destinés à des applications très variées. Les signaux lumineux que je tente de détecter sont très faibles. En raison du bruit présent dans tout environnement électrique, le signal doit être amplifié. Dans notre capteur, nous utilisons l’amplification par avalanche. Un ou plusieurs photons détectés (les particules lumineuses) génèrent une ou plusieurs paires électron-trou, que l’on soumet à un fort champ électrique pour les accélérer. Ces paires électron-trou entrent alors en collision avec d’autres atomes du capteur et les ionisent (ionisation par impact). Des électrons supplémentaires sont libérés qui, à leur tour, vont accélérer et entrer en collision avec d’autres atomes, libérant des électrons supplémentaires : une réaction en chaîne s’instaure. Ce processus est très semblable à celui d’une avalanche de neige classique, d’où son nom.  

Comment utilisez-vous ces capteurs ?

Outre la microscopie de super-résolution, nous utilisons de tels capteurs dans de nombreux champs. Le Lidar constitue notamment un exemple d’application typique et très répandu.

De nombreuses entreprises évoluant dans le secteur de l’imagerie 3D utilisent en ce moment les detecteurs SPAD. Le Lidar est une méthode de relevé qui mesure la distance d’une cible en projetant vers celle-ci un faisceau de lumière (laser pulsé) et en mesurant les impulsions renvoyées vers le capteur. Les différences dans les temps de retour des impulsions laser et les longueurs d’onde permettent ensuite d’élaborer des représentations numériques en 3D de la cible. Le nom lidar est désormais un acronyme de l’expression anglaise « light detection and ranging » (parfois « light imaging, detection, and ranging », que l’on peut traduire en français par « détection et estimation de la distance par la lumière »). Au départ, il s’agissait d’un mot-valise créé en fusionnant les termes « light » et « radar ». Le Lidar est parfois appelé scanner laser à balayage 3D, soit l’association de technologies de scan tridimensionnel et de balayage laser. Ses applications peuvent être terrestres, aéroportées et mobiles.  

Le Lidar est communément utilisé pour élaborer des cartes haute résolution, avec des applications en géodésie, géomatique, archéologie, géographie, géologie, géomorphologie, sismologie, foresterie, physique atmosphérique, guidage laser, topographie aéroportée (ALSM), et altimétrie laser. Cette technologie est également utilisée pour le contrôle et la navigation dans certaines voitures autonomes.

La détection de l’environnement en 3D est indispensable au fonctionnement d’une voiture autonome. Il s’agit donc d’un marché en forte expansion, mais d’autres applications existent. De tels capteurs sont également utilisés dans la tomographie par émission de positrons (TEP), la microscopie en temps de vie de fluorescence (FLIM) et la tomographie optique proche infrarouge (NIROT) pour n’en citer que quelques-unes.

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