Présentation du Laboratoire

Unité mixte de recherche de l’Ecole Normale Supérieure, de Sorbonne Université, du Collège de France et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), le Laboratoire Kastler Brossel (LKB) est l’un des acteurs majeurs dans le domaine de la physique quantique. IIl couvre de nombreux sujets allant des tests fondamentaux de la physique quantique jusqu’à leurs applications. Son expertise est reconnue internationalement comme en témoignent ses trois prix Nobel obtenus au long de ses 65 ans d’histoire. 

Les activités du laboratoire sont traditionnellement liées à la physique atomique et à l’optique, avec un accent particulier sur les questions fondamentales de l’interaction lumière-matière, des états quantiques de la lumière et de la spectroscopie de précision. L’un des développements importants au cours des dernières décennies concerne le refroidissement et le piégeage des atomes qui ont ouvert un riche domaine d’études sur les gaz et les liquides quantiques, à la frontière entre physique atomique et physique de la matière condensée.

Un autre point fort du laboratoire est l’étude de l’interaction entre photons et atomes avec des contributions fondamentales dans le domaine de l’électrodynamique quantique en cavité, de l’optique et de l’information quantiques, de l’optomécanique. Si ces concepts continuent de jouer un rôle central au LKB, le laboratoire a également diversifié ses thèmes de recherche vers la nanophotonique, l’effet Casimir, l’imagerie en milieux biologiques et complexes, les ions piégés, la métrologie et les tests des interactions fondamentales. Il participe à plusieurs programmes de grande envergure et des collaborations au niveau international tels que GBAR, Virgo, plusieurs missions spatiales et équipements d’excellence (Equipex).

Recherche et organisation du laboratoire

Le laboratoire est composé d’une majorité de jeunes chercheurs puisqu’il compte 58 chercheurs et enseignants-chercheurs, environ 65 doctorants et 20 post-doctorants. Le laboratoire est constitué de 12 équipes de recherche réparties en 5 axes :

– les gaz quantiques

– l’optique et l’information quantiques

– les atomes et la lumière dans les milieux denses ou complexes

– les tests des interactions fondamentales et la métrologie

– les frontières et applications

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Le laboratoire compte 5 académiciens, 3 professeurs en activité ou émérite au Collège de France. Il est par ailleurs fortement impliqué dans les activités d’enseignement à différents niveaux et la qualité de ses enseignants-chercheurs est reconnue par de nombreuses nominations en tant que membres junior ou sénior à l’Institut Universitaire de France (IUF).

Les services supports sont composés de 25 ingénieurs et techniciens. Ils sont organisés en quatre pôles : les services administratifs, les services d’instrumentation, le service informatique, l’assistance à la direction et la communication.

Les services techniques font partie de la plateforme technique commune au LKB et au Laboratoire de Physique de l’ENS (LPENS), regroupant un ensemble de compétences et d’expertises dans les domaines des bureaux d’études, de la conception mécanique et électronique, de la cryogénie, d’une salle blanche, verrerie, soudure…

Les ateliers de mécanique assurent un soutien technique et logistique pour la conception et la réalisation d’instruments de précision. Ils conçoivent et réalisent des éléments et des ensembles mécaniques nécessaires aux expériences de physique du laboratoire. Les pièces sont fabriquées en étroite collaboration avec les chercheurs afin de satisfaire des demandes extrêmement précises. L’expertise technique des personnels est considérable, comme par exemple la capacité de souder à une échelle infinitésimale (0.2 mm) et de concevoir et réaliser des instruments très complexes comme les cryostats. Le service mécanique assure ainsi l’ensemble des étapes depuis le cahier des charges jusqu’à la fabrication en passant par l’étude et les tests.

Le service d’électronique a pour rôle la définition de tout ou partie des systèmes de contrôle, de commande et de l’acquisition des données dans les mesures des expériences de physique du laboratoire. Il participe, en relation étroite avec les chercheurs, à la conception d’instruments dédiés aux expériences, à la recherche de solutions instrumentales, à la réalisation de prototypes innovants, ainsi qu’à la production d’appareils dont les besoins peuvent être récurrents dans les expériences menées (asservissements, systèmes de mesures, contrôles laser, etc…). Il assure aussi, pour partie, la maintenance et la réparation des instruments du parc et des appareils commerciaux utilisés dans les expériences.

L’atelier de verrerie réalise des cellules en verre borosilicaté (communément appelé Pyrex). Les cellules sont des contenants en verre utilisés dans les expériences de physique du laboratoire. Elles contiennent en général un gaz rare ou un métal alcalin et comprennent des fenêtres optiques permettant de faire passer dans la cellule des faisceaux lasers.

L’atelier d’optique a pour objectif la réalisation de procédés opto-mécaniques fiables. Il utilise pour cela les logiciels de simulation ZEMAX et MIRCO (CEA) ainsi qu’une salle d’optique dédiée pour l’assemblage et le test des montages. Il assure également une veille technologique du domaine et met à disposition des chercheurs différents équipements d’optique.

Le laboratoire est dirigé depuis 2012 par Antoine Heidmann. Le comité exécutif est par ailleurs composé de Pierre-Jean Nacher (directeur adjoint), Michel Brune, Dominique Delande, Nicolas Treps, Tarik Yefsah (sous-directeurs), Thierry Tardieu (administrateur) et Jean-Michel Isac (responsable des services techniques). L’organigramme précise les différentes structures du laboratoire.

Le LKB est localisé sur trois sites différents, proches les uns des autres dans le 5e arrondissement de Paris : l’Ecole Normale Supérieure,  24 rue Lhomond ; Sorbonne Université (campus Pierre et Marie Curie), 4 place Jussieu et le Collège de France, 11 place Marcelin-Berthelot.

Bref historique du laboratoire

De 1951 jusqu’en 1994, le laboratoire était nommé Laboratoire de Spectroscopie hertzienne de l’ENS, avant de prendre son appellation actuelle. Ce changement  de nom est un hommage à ses deux fondateurs, qui ont été les pionniers de la physique moderne sur l’interaction lumière-matière après la Seconde Guerre mondiale. Leurs contributions ont conduit à l’obtention du prix Nobel pour Alfred Kastler en 1966. Le laboratoire connaît alors une forte croissance, et plusieurs équipes déménagent en 1967 dans la nouvelle université en construction à Jussieu.

L’avènement des lasers a permis de développer des nouvelles thématiques de recherche dans les années 70 et 80, ce qui a notamment mené aux travaux fondateurs de Claude Cohen-Tannoudji (Prix Nobel 1997) sur le refroidissement et le piégeage des atomes neutres. Parallèlement, Serge Haroche a dirigé des travaux qui ont donné naissance au domaine de l’électrodynamique quantique en cavité (Prix Nobel 2012). Ces dernières années ont été l’occasion pour le LKB de célébrer les anniversaires de deux de ses prix Nobel : les 50 ans du premier en 2016 et les 20 ans du second en 2017. En 2014, une partie des équipes du laboratoire ont emménagé dans le tout nouvel Institut de Physique du Collège de France, qui devient la quatrième tutelle de l’unité.