COHEN-TANNOUDJI CLAUDE (1933- )

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Prix Nobel de physique 1997, professeur au Collège de France où il occupe la chaire de physique atomique et moléculaire de 1973 à 2004 après avoir exercé à la faculté des sciences de Paris, mais aussi membre de l'Académie des sciences (1981) et médaille d'or du C.N.R.S. (1996), Claude Cohen-Tannoudji épouse avec évidence sa double vocation de chercheur et d'enseignant. Son nom est associé au développement et à la diffusion de la recherche en physique atomique et en optique quantique.

Claude Cohen-Tannoudji est né le 1er avril 1933 à Constantine. Après des études au lycée Bugeaud d'Alger, il est admis à l'École normale supérieure (E.N.S.) en 1953. Il y trouve, avec le programme de recherche initié par Alfred Kastler et Jean Brossel, ce qui deviendra le thème central de sa carrière de chercheur : l'interaction entre les atomes et le rayonnement électromagnétique, de la lumière aux ondes radio. Sa thèse de doctorat (1962) et les recherches ultérieures qu'il mène avec ses élèves sont consacrées au pompage optique, ce mécanisme mis en évidence par Kastler (Prix Nobel de physique 1966 pour cette découverte), qui permet de modifier l'état électronique d'un atome en l'éclairant par de la lumière polarisée.

Depuis le milieu des années 1980, Claude Cohen-Tannoudji et son équipe du laboratoire Kastler-Brossel de l’École normale supérieure à Paris se sont attachés à un autre aspect de l'action de la lumière sur les atomes : le refroidissement et le piégeage radiatifs. Les résultats obtenus en ce domaine sont à l'origine du prix Nobel 1997, partagé avec les Américains Steven Chu et William Phillips. Localisés par des faisceaux laser se faisant face, les atomes sont freinés dans leur mouvement et maintenus en lévitation sous l'effet de forces mécaniques élémentaires. Comme un objet frappé par un projectile, un atome qui absorbe un photon recule sous l'effet de l'impact. Le freinage qui en résulte a suggéré, pour les atomes ainsi piégés dans quelques millimètres cubes, l'expression imagée de « mélasse optique ». Ils s'y trouvent refroidis par diminution de l'agitation thermique naturelle qui caractérise la température des gaz.

La température ainsi atteinte peut être d'un millionième, voire d'un milliardième de degré Celsius. Elle est si faible qu'elle ne suffit plus à limiter la chute d'un atome sous son propre poids. En plaçant l'expérience dans un avion faisant un vol en impesanteur, Christophe Salomon, élève de Claude Cohen-Tannoudji, a pu profiter de ces atomes allégés et très calmes pour construire une horloge atomique si précise qu'elle ne dériverait que d'une seconde par siècle. Revenu sur le sol, on peut manipuler ces atomes froids, les lancer en l'air pour les faire retomber en fontaine, les faire rebondir sur un miroir électromagnétique comme sur un trampoline. L'équipe de Claude Cohen-Tannoudji s'est ainsi livrée à de nombreuses expériences dites d'optique atomique, très analogues à celles que permet la lumière, mais où des ondes de matière (associées aux atomes) remplacent les ondes lumineuses (associées aux photons).

Claude Cohen-Tannoudji rêve de construire de la sorte un « laser à atomes » – un rêve qui pourrait devenir réalité depuis qu'un « condensat de Bose-Einstein » formé d'atomes de rubidium a été obtenu par son groupe en 1998. Il s'agit là d'un nouvel état de la matière particulièrement bien ordonné où toutes les particules du gaz s'accumulent dans le même état quantique. Les prédictions relatives aux propriétés fascinantes de tels condensats vont bon train.

Les travaux de Claude Cohen-Tannoudji, on l'a compris, relèvent de la physique fondamentale et ne résultent en rien de programmes prioritaires ou de planifications. Comme il le souligne lui-même, son terrain est bien celui d'une physique « applicable » plutôt qu'appliquée. Le refroidissement par laser n'en est aujourd'hui qu'à ses débuts. On peut déjà prévoir l'importance future que devraient prendre les horloges à « atomes froids » pour les observations satellitaires et le Global Positioning System (G.P.S.). Mais on n'a sans doute même pas imaginé les applications potentielles des gaz condensés de Bose-Einstein et, comme pour le laser en 1960, l'avenir pourrait réserver bien des surprises.

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  • : directeur honoraire de l'École normale supérieure, Paris

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Étienne GUYON, « COHEN-TANNOUDJI CLAUDE (1933- ) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/claude-cohen-tannoudji/