Claude Cohen-Tannoudji, maître en quantique

C'est ainsi que l'école CentraleSupélec, de l'Université Paris-Saclay, présentait Claude Cohen-Tannoudji, pour annoncer une conférence qu'il allait tenir le 20 mars 2017 (visible sur une des vidéos mises en ligne à la fin de l'article). Claude Cohen-Tannoudji est l'un des physiciens français les plus importants de la seconde moitié du XX^e siècle. Il vient de mourir à Paris ce jeudi 22 octobre 2026 à l'âge de 93 ans, né à Constantine, en Algérie, le 1^er avril 1933 (et ce n'était pas un poisson, ou alors un poisson quantique).

Le Prix Nobel de Physique qu'il a reçu avec Steven Chu et William D. Philips en 1997 « pour le développement de méthodes pour refroidir et piéger des atomes avec la lumière laser » était comme un relais, d'une très longue course de relais qu'est le progrès de la science. En effet, Claude Cohen-Tannoudji a préparé son doctorat de physique sous la direction d'Arthur Kastler, Prix Nobel de Physique de 1966 « pour la découverte et le développement de méthodes optiques pour l'étude des résonances hertziennes dans les atomes », et il a eu pour élève de thèse Serge Haroche, Prix Nobel de Physique de 2012 avec David Wineland « pour les méthodes expérimentales révolutionnaires qui ont permis la mesure et la manipulation de systèmes quantiques individuels ». Dans son équipe d'optique quantique, on pouvait aussi retrouver un certain Alain Aspect, qui a reçu son Prix Nobel de Physique en 2022 avec Jean Clauser et Anton Zeilingen « pour leurs expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et ouvrant la voie à la science de l'information quantique », un sujet qu'il avait développé avant de travailler dans l'équipe de Claude Cohen-Tannoudji.

Homme « d'une incroyable humilité, d'une très grande sensibilité », selon Serge Barret dans un article publié le 21 janvier 2020, Claude Cohen-Tannoudji est l'un des (nombreux) bâtisseurs de cette terrible physique quantique qui a révolutionné les esprits depuis plus d'un siècle. Il a d'ailleurs sorti plusieurs manuels de physique quantique qui font références (co-rédigés avec Bernard Diu et Franck Laloë.

Brillant étudiant entré deuxième à l'École Normale Supérieure (de la rue d'Ulm) en 1953 (il a eu pour professeurs de maths Laurent Schwartz et Henri Cartan, et en physique Arthur Kastler qu'il a suivi à partir de 1955), reçu à l'agrégation de physique en 1957, docteur en physique en 1962, il a eu pour mentors (et professeurs) deux sommités de la physique, Arthur Kastler et Jean Brossel, deux spécialistes de l'optique quantique, notamment du pompage optique, qui ont créé le Laboratoire Kastler Brossel au sein de l'École Normale Supérieure (ce fut son laboratoire pendant toute sa carrière). Sa dernière rencontre avec Arthur Kastler date de 1984, peu avant sa mort.
 

Sa carrière tant comme chercheur que comme enseignant fut magistrale. D'abord stagiaire du CNRS pendant sa thèse, puis professeur à l'Université Pierre-et-Marie-Curie à Paris (où il donna des cours de mécanique quantique), Claude Cohen-Tannoudji a été élu professeur au Collège de France en 1973, à la chaire de physique atomique et moléculaire, où il donna des cours jusqu'en 2004 : « Il a joué un rôle important pour faire de la physique atomique et de l’optique quantique un domaine attractif et créatif de la physique. ». Ses récompenses furent nombreuses, Médaille d'argent du CNRS dès 1964 (et l'année précédente, Prix Paul-Langevin décerné par la Société française de physique), reconnu Fellow de l'Amercian Physical Society en 1985, Prix Gay-Lussac Humboldt en 1991, Médaille d'or du CNRS en 1996, et l'année suivante, la consécration avec le Prix Nobel de Physique.

Élu en 1981 à l'Académie des sciences de Paris, Claude Cohen-Tannoudji a visité le monde entier pour tenir des conférences scientifiques, à raison de six à douze par an à partir de 1998 (dont une très insolite donnée sur l'île de Pâques, et il a fait des croisières, une en Antarctique où il a rencontré Michel Serres, une autre sur la Volga et la Neva en Russie), ce qui explique pourquoi il a été si souvent docteur honoris causa dans de nombreuses universités étrangères et membre de nombreuses académies. Il est notamment devenu membre de l'Académie pontificale des sciences au Vatican qui n'hésite pas à recruter les meilleurs scientifiques mondiaux dans un domaine.

Interviewé par Serge Barret le 21 janvier 2020 pour Voyages-d'affaires (à l'occasion de la sortie de son livre "Sous le signe de la lumière. Itinéraire d'un physicien dans un monde quantique", éd. Odile Jacob), Claude Cohen-Tannoudji se réjouissait de son statut de voyageur permanent : « Le voyage est essentiel. Pas seulement pour le dépaysement, ni même pour la découverte de civilisations différentes. Car pour moi, le voyage, c’est avant tout l’opportunité d’établir des contacts humains avec des collègues du monde entier ou des étudiants, l’occasion d’échanger et aussi de transmettre. C’est passionnant, et ça me passionne. Je voyage beaucoup. Principalement pour donner des conférences. Et cela a été comme ça depuis le début de ma vie universitaire, car avant, avec mes parents qui étaient d’un milieu très modeste en Algérie, sans voiture, on ne pouvait guère se déplacer. Mon tout premier voyage, c’était pour passer les oraux de l’École Normale, à Paris. ».
 

En quoi ont consisté ses travaux ? Il a notamment réalisé du refroidissement et piégeage d'atomes par des faisceaux laser, ce qui lui a permis de découvrir des comportements de la matière très étranges. Son laboratoire a résumé ainsi ses contributions déterminantes : « Après avoir établi une compréhension détaillée des processus du pompage optique et découvert des effets inédits, il a ouvert un nouvel axe de recherche sur les atomes refroidis par laser. (…) Par ses enseignements et ses ouvrages en optique quantique et sur l’interaction entre atomes et champ électromagnétique, son œuvre pédagogique a contribué à faire de ce domaine un champ important de la physique moderne. ».

Après son service militaire, Claude Cohen-Tannoudji a préparé son doctorat de physique de 1959 à 1962 sous la direction d'Arthur Kastler et Jean Brossel : « L’objectif est de faire une théorie quantique rigoureuse du pompage optique. À cette occasion, il découvre des effets nouveaux (en particulier les déplacements des niveaux par une lumière non résonnante) qu’il a pu mettre en évidence expérimentalement. ».

À partir de 1973 (il avait 40 ans), ses cours étaient donnés au Collège de France, cours très suivis par une assistance nombreuse : « Ses cours, à la craie au tableau noir, ont toujours attiré un auditoire nombreux, ainsi que le séminaire qui suivait. Ils ont constitué un lieu d’échange unique pour les chercheurs de physique atomique et moléculaire venant d’horizons très différents. ».
 

Pour ce qui est de ses travaux de recherches après sa thèse : « Claude Cohen-Tannoudji s’attache à décrire le pompage optique d’une collection d’atomes. Pour cela, il traite le champ électromagnétique quantiquement, et décrit les atomes par une matrice densité complète, au lieu des seules populations des niveaux d’énergie. Il en déduira des effets nouveaux (déplacement des niveaux d’énergie, circulation des cohérences entre sous-niveaux fondamentaux et sous-niveaux excités, modulation de l’absorption de la lumière d’un faisceau lumineux par la polarisation transverse des atomes). Il mettra ces effets en évidence expérimentalement. ».

Et le site du laboratoire précise ce qui lui a valu son Nobel : « Avec ses premiers élèves en thèse, en particulier Serge Haroche, il introduira l’idée d’ "atome habillé" pour décrire le système constitué par un atome en interaction avec un champ de radiofréquence. Ce point de vue permet de visualiser simplement les modifications des fréquences propres du système global, ainsi que les propriétés des photons qu’il peut émettre, en particulier leurs corrélations. Les résultats remarquables sont la prévision de nouvelles résonances observables sur les cohérences, et leur modification drastique par l’augmentation de l’intensité de la radiofréquence. La généralisation de "l’atome habillé" aux transitions optiques excitées par laser, qu’il établit avec son élève Serge Reynaud, s’est révélée très riche pour prévoir les propriétés spectrales de la lumière de fluorescence et les corrélations entre les photons émis. L’idée que la lumière exerce une force sur les atomes par échange d’impulsion avec les photons est ancienne. Les lasers, plus intenses que les sources classiques de lumière, offrent des possibilités nouvelles de refroidir ou de piéger des atomes. Au début des années 1980, Claude Cohen-Tannoudji met sur pied un groupe de recherche sur ce domaine avec Alain Aspect, Christophe Salomon, Jean Dalibard, puis Michèle Leduc à partir de 1993. Son groupe propose plusieurs méthodes innovantes de refroidissement et de piégeage. Il explique en particulier pourquoi les températures limites obtenues dans les "mélasses optiques", formées par trois paires de faisceaux lumineux contra-propageant, sont beaucoup plus basses que ce qu’on attendait. Ce refroidissement est dû à "l’effet Sisyphe" qui met en jeu les gradients de polarisation de la lumière au sein des mélasses : les atomes sont forcés à toujours gravir des collines de potentiel, le pompage optique les changeant de sous-niveau Zeeman dès qu’ils s’éloignent d’un fond de vallée de potentiel. La limite du refroidissement est alors de l’ordre de la vitesse de recul de l’atome lors de l’émission spontanée d’un photon, ce qui correspond à des températures de l’ordre du microkelvin. ». Il a même réussi à concevoir une méthode pour atteindre des températures de l'ordre du nanokelvin (mille fois moins que le microkelvin).
 

Pour "Science et Avenir", Claude Cohen-Tannoudji a expliqué à Aline Kiner le 15 décembre 2014 en quoi il avait bénéficié des travaux d'Albert Einstein : « Dans son célèbre article de 1905 sur les quanta de lumière, Einstein introduit le concept de photon, qui est à la base de toutes les interactions matière-rayonnement. Par exemple, le pompage optique et le refroidissement laser, deux domaines dans lesquels j’ai travaillé, sont fondés sur les échanges de moment cinétique et de quantité de mouvement entre atomes et photons. ».

Non seulement Claude Cohen-Tannoudji restera associé à l'histoire de la physique quantique, mais il a inspiré des générations de physiciens. Sa disparition touche évidemment toute la communauté scientifique, de France et d'ailleurs.


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Sylvain Rakotoarison (23 octobre 2026)
http://www.rakotoarison.eu


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