Claude Cohen-Tannoudji reçoit la Médaille d'or du CNRS 1996

Décernée par le CNRS, la Médaille d'or est attribuée chaque année, depuis sa création en 1954, à des personnalités qui ont contribué, d'une manière exceptionnelle et dans des disciplines diverses, au dynamisme et au rayonnement de la Recherche en France. Elle couronne ainsi l'ensemble de l'oeuvre et la carrière d'éminents scientifiques de renommée internationale.

Le physicien Claude Cohen-Tannoudji reçoit la Médaille d'or du CNRS 1996 pour l'ensemble de ses travaux sur l'optique quantique et les interactions entre les atomes et les ondes électromagnétiques. La compréhension de ces interactions est d'une importance capitale, aussi bien pour la physique fondamentale que pour le monde technologique. Ses recherches et celles des équipes qu'il a dirigées ont ouvert un nouveau domaine de la physique atomique et de grandes perspectives, aussi bien dans la compréhension des phénomènes que dans les applications pratiques. Dans une compétition internationale intense, il a contribué par ses recherches et son enseignement à la création d'une école de physique atomique française parmi les meilleures au monde.

Claude Cohen-Tannoudji est Membre de l'Institut, ancien élève de l'Ecole Normale Supérieure et ancien d'élève d'Alfred Kastler (prix Nobel de physique) et de Jean Brossel qui ont dirigé son travail de thèse de doctorat. Il a effectué toute sa carrière scientifique à l'Ecole Normale Supérieure, au laboratoire qui porte maintenant le nom de ces deux physiciens. Agrégé de sciences physiques en 1957, il entre au CNRS en 1960. Depuis 1962, il a formé plusieurs dizaines de chercheurs français et étrangers en dirigeant des thèses de troisième cycle et de doctorat et en assurant des enseignements de maîtrise et de troisième cycle à l'Université Paris VI. Depuis 1973, il est Professeur au Collège de France, titulaire de la Chaire de Physique atomique et mol&eacte;culaire. Il y donne un cours sur des sujets qui changent chaque année et tous les ans, son cours est diffusé sous forme de notes polycopiées.

En collaboration avec Bernard Diu et Franck Laloë, Claude Cohen-Tannoudji a publié un ouvrage de mécanique quantique en deux volumes, qui a été traduit en anglais et en allemand et qui est utilisé par les étudiants et les chercheurs du monde entier. Avec deux anciens élèves, Jacques Dupont-Roc et Gilbert Grynberg, il a aussi écrit deux livres, l'un sur l'électrodynamique quantique, l'autre sur les interactions matière-rayonnement qui sont traduits en anglais.

Par ses travaux, il a contribué au développement d'un centre de recherche de haut niveau en France, dans le domaine de la physique atomique et de l'optique, le laboratoire Kastler-Brossel à l'Ecole Normale Supérieure, qui a acquis une grande réputation internationale et qui attire tous les ans des dizaines de visiteurs étrangers venant effectuer des séjours "sabbatiques" ou postdoctoraux. Il y dirige actuellement les travaux d'une équipe sur le thème général des interactions matière-rayonnement et du refroidissement et piégeage d'atomes par des faisceaux laser.

Il a été professeur invité de nombreuses universités étrangères : Harvard, Toronto, Pise, Yale, New-York, Leiden... et est Membre-Associé étranger de plusieurs Académies : American Academy of Arts and Sciences, National Academy of Science (U.S.A.), Académie Royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-Arts de Belgique, Academia dei Lincei d'Italie ...

Claude Cohen-Tannoudji a également présidé pendant 4 ans la Commission de Physique Atomique et Moléculaire du CNRS.

Les travaux scientifiques de Claude Cohen-Tannoudji

Claude Cohen-Tannoudji a prédit théoriquement et observé un certain nombre d'effets physiques nouveaux comme les déplacements des niveaux d'énergie d'un atome éclairé par une onde lumineuse non résonante, et comme les modifications des propriétés physiques d'un atome entouré d'un nuage de photons qu'il absorbe et réémet en permanence. Il a introduit avec ses élèves une nouvelle approche théorique qui permet de rendre compte de manière précise des effets des interactions des atomes avec un rayonnement électromagnétique de haute intensité. Cette image d'un atome, "habillé" par les photons (la lumière) qui l'éclairent, s'est révélée d'une grande fécondité et d'une grande efficacité pour analyser les propriétés de la lumière absorbée ou émise par cet atome et pour comprendre les forces qui s'exercent sur lui. L'approche de l'atome habillé est couramment utilisée aujourd'hui dans le monde entier par tous les chercheurs de ce domaine.

Les interactions atomes-rayonnement peuvent être considérées de deux points de vue.

• Tout d'abord, elles permettent d'obtenir des informations sur la structure des atomes. C'est le principe de la spectroscopie qui consiste à analyser les propriétés de la lumière émise ou absorbée par un atome pour en déduire ses niveaux d'énergie.

• Un deuxième point de vue, plus récent, consiste à utiliser ces interactions pour agir sur les atomes, pour contrôler non seulement leurs états internes mais aussi leurs mouvements dans l'espace et pour les manipuler. Claude Cohen-Tannoudji a orienté ses recherches dans cette deuxième direction. Les travaux récents de son équipe portent sur les forces exercées par des faisceaux laser sur des atomes et sur la possibilité d'utiliser ces forces pour manipuler ces atomes, en particulier pour les ralentir, les refroidir et les "piéger", c'est-à-dire les confiner dans une petite région de l'espace, les maintenir dans des cavités en les ralentissant. Avec son équipe, il a mis en évidence de nouveaux mécanismes de refroidissement particulièrement efficaces comme le "refroidissement Sisyphe", consistant à forcer un atome à gravir sans cesse des "collines" de potentiel, ou le refroidissement par "états noirs" qui permet d'abaisser la vitesse d'un atome au-dessous d'une certaine limite, considérée auparavant comme infranchissable. Par une meilleure compréhension des mécanismes phyiques mis en jeu, ces travaux permettent de mieux maîtriser le mouvement des atomes dans une onde laser et d'abaisser leur température à des valeurs de l'ordre du microkelvin, voire du nanokelvin, soit près de cent milliards de fois plus basses que la température ambiante.

Le contexte scientifique international et ses perspectives

L'étude du comportement d'un atome interagissant avec le rayonnement électromagnétique constitue un "banc d'essai" idéal pour tester les idées actuelles sur la mécanique quantique, pour essayer de comprendre :
- les effets d'interférences quantiques,
- la nature des sauts quantiques,
- le processus de la mesure,
- la frontière entre les mondes classique et quantique.

Ceci explique la vitalité actuelle, dans le monde, des recherches de physique atomique dans des domaines aussi divers que l'électrodynamique quantique en cavité, l'optique non linéaire, la réduction du bruit quantique, ou la "non-démolition quantique". Il est probable que ces recherches fondamentales déboucheront sur de nombreuses applications concrètes. L'exemple du laser nous éclaire sur les conséquences imprévues de certaines recherches de physique atomique fondamentale.

Quelles applications pourront avoir les atomes ultrafroids étudiés dans l'équipe de Claude Cohen Tannoudji et dans plusieurs autres équipes dans le monde dont le nombre s'accroît de jour en jour ? On peut dès maintenant mentionner quelques tendances :

• Comme les atomes ultrafroids se déplacent très lentement, on peut les observer pendant des temps très longs et dès à présent réaliser des horloges atomiques verrouillées sur des raies atomiques beaucoup plus étroites qu'auparavant et construire ainsi des horloges de cent fois à mille fois plus précises que les meilleures horloges atomiques actuelles. De telles horloges seront vraisemblablement utilisées embarquées dans un satellite et permettront d'augmenter considérablement la précision des systèmes de navigation et du système GPS (système global de positionnement)

• Une autre conséquence de la faible vitesse des atomes est que leur longueur d'onde de "de Broglie" (le caractère quantique des atomes fait qu'à chaque atome est associée une onde quantique, l'onde de "de Broglie"), devient très grande. A très faible vitesse, le comportement ondulatoire du mouvement des atomes devient très important et on peut alors réaliser, avec les ondes de "de Broglie" des atomes, toutes les expériences d'optique et d'interférométrie que l'on fait avec des ondes lumineuses. Cette nouvelle optique de "de Broglie" permet d'espérer la réalisation d'instruments de mesure extraordinairement précis, et sans doute la naissance d'une nouvelle technologie associée.

• Avec les récentes mises en évidence aux USA d'une condensation de Bose Einstein d'atomes ultrafroids, on peut penser qu'il sera possible un jour de réaliser un "laser à atomes" qui serait en quelque sorte l'équivalent d'un laser ordinaire où les photons seraient remplacés par des atomes obéissant à la statistique de Bose.

Contact au département des Sciences physiques et mathématiques du CNRS :
Frédérique Laubenheimer - Tél : +33 1 44 96 42 63