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Publié le : jeudi 21 juillet 2011
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ECOLE NORMALE SUPÉRIEURE2006Département de physique
Le Département de Physique a une double vocation: assurer un enseignement de qualité et une re-cherche de haut niveau couvrant de nombreux domaines de la physique qui sont, pour certains dentre eux , à la frontière entre la physique et dau-tres disciplines.
RECHERCHE La fédération de laboratoires du Département de Physique re-groupe cinq unités de recherche associant lENS, le CNRS et, selon les cas, les universités Paris VI,VII et XI. Il sagit du Laboratoire Kastler Brossel (LKB), du Laboratoire Pierre Aigrain (LPA), du Laboratoire de physique statistique (LPS), du La-boratoire de physique théorique (LPTENS) et du Laboratoire de ra-dioastronomie millimétrique (LRA) qui est également associé à lObser-vatoire de Paris.
Cet ensemble comprend environ 90 chercheurs CNRS, 60 enseignant-chercheurs, 100 docto-rants et 80 ingénieurs, techniciens et administratifs, auxquels sajoutent 40 à 50 visiteurs et étudiants en stage post-doctoral
ENSEIGNEMENT Depuis les cours fondamen-taux (licence et master) inclus dans la Formation interuniversitaire de phy-sique (FIP) jusquaux cours décole doctorale, les étudiants rassemblés dans le département de physique de lENS sont parmi les meilleurs de France etdisposent dune formation exceptionnelle dans les domaines fondamentaux de la physique.
Domaines scientifiques couverts
Laboratoire Kastler Brossel LKB Directeur Paul Indelicato
Le laboratoire Kastler Bros-sel, qui porte le nom des deux physi-ciens célèbres qui lont fondé dans les années 1950, a une longue tradition détude des effets quantiques dans lin-
Expérience de refroidissement atomique
teraction des atomes avec le champ électromagnétique. Létude du refroidissement des atomes par laser constitue un des thèmes majeurs du laboratoire, et a valu le prix Nobel de Physique à Claude Cohen-Tannoudji en 1997. Le laboratoire a développé de nombreuses activités fondées sur les atomes froids, comme létude des condensats de Bo-se-Einstein et des gaz d'atomes fer-mioniques, la réalisation de lasers à atomes continus, dhorloges atomiques de très grande précision (en collabora-tion avec le SYRTE) ou la mesure de constantes fondamentales. Désormais les atomes froids rejoignent les nano-sciences avec la mise en œuvre de pu-ces à atomes froids, qui laissent entre-voir la possibilité dobtenir des accélé-romètres miniatures ultrasensibles ou des horloges atomiques de poche. Parmi les autres grands do-maines explorés au laboratoire, on trouve la mécanique quantique fon-damentale, avec la préparation de chats de Schrödinger», superposi-tion détats quantiques macroscopi-ques différents, létude détats intriqués
et de la décohérence, en vue de faire progresser les concepts à la base du traitement quantique de linformation. Le laboratoire abrite dautres recher-ches relevant de ce domaine et de lop-tique quantique (traitement quantique des images, sources de photons uni-ques, mémoires quantiques). Le Laboratoire Kastler Bros-sel a enfin une importante activité dapplications biomédicales de ses tra-vaux de physique fondamentale. Lelaboratoire développe les applications des gaz hyperpolarisés, par pompage optique, à limagerie des poumons, qui est maintenant au stade de lévaluation clinique. Le laboratoire développe aus-si des méthodes performantes de suivi de molécules biologiques uniques in vivo à laide de nanoobjets (quantum dots») qui permettent létude de la synapse nerveuse ou des mécanismes de coupure de lADN par les enzymes de restriction.
Tourbillon au cœur dun condensat de rubidium
Laboratoire de Physique Théorique LPT Directeur Bernard Julia.
Les recherches du laboratoire vont de la compréhension des particu-les élémentaires comme des cordes de taille minuscule ou dautres objets
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ECOLE NORMALE SUPÉRIEURE2006étendus de dimension deux ou plus àconducteurs, structures conductricescarbone de dimensions sub-micromé-létude de nouvelles forces et de di-mésoscopiques, films minces supra-triques peut être manipulé puis contac-mensions supplémentaires de lespace-conducteurs, molécules uniques car-té électriquement: dans un tel système, temps qui pourraient être importantesbonées (nanotubes) ou biologiques en astrophysique et en cosmologie.(ADN). Il étudie dun point de vue Elles couvrent également de vastesexpérimental et théorique ces nano-pans de la mécanique statistique deobjets dont les possibilités dapplication systèmes désordonnés classiques oucouvrent des domaines aussi diversifiés quantiques (verres ou supraconduc-que loptoélectronique, linformation teurs) aux applications de ces systèmesquantique, lélectronique moléculaire désordonnés à linformatique (algo-ou la reconnaissance des molécules rithmes, théoriedu signal) età la bio-biologiques. physique sans oublier leffet Hall quan-Dans de nombreux cas, il tique. Une troisième branche, apparuesagit de trouver de nouvelles voies aux Image au microscope électronique dun nano mo-au laboratoire plus récemment, étudietechnologies actuelles des composants la turbulence ou la croissance, pourà semiconducteurs (transistors, lasers...)teur électrique linstant à deux dimensions despace,ou de la biochimie. Ces voies nouvelles en mettant à profit des techniques quiqui se situent nécessairement en rup-charge et spin, pourtant portés par les intéressent aussi les probabilistes. Lesture des voies actuelles font appel à lamêmes électrons,ne se propagent pas effets de surface et la dynamique desrecherche fondamentale et en particu-à la même vitesse. Létat quantique conditions aux limites sur le bord deslier à la mise en œuvre des fondementsdune seule boîte quantique doit éga-systèmes sont très étudiés pour lesmême de la mécanique quantique.lement pouvoir être contrôlé optique-phénomènes critiques ou enrelativité Ainsi,dans les conducteursment dans des structures spécifiques à générale. électriquesdits mésoscopiques, la co-bande interdite de photons. Enfin, un Quelques questions centralesbrin dune seule molécule dADN, enhérence des ondes électroniques se pour le LPT :manifeste jusque dans les propriétésinteraction avec une autre molécule • Réconcilier gravitation et mécani-électriques de ces conducteurs et leslors du processus de réplication, estque quantique. Ceci prend un relieflois de lélectronique sont différentesattaché à une petite bille permettant nouveau quand on réalise que par-des lois classiques. Dans les boîtesde mesurer, à laide dun piège opti-fois les effets quantiques dans unequantiques de semiconducteurs, lesque, les forces mises en jeu lors du pro-théorie sinterprètentcomme dessuper-atomesseront ca-cessus de réplication et de correction» artificiels effets purement classiques dans unepables démettre à la demande, parderreurs génétiques. autre. exempleà laide dune gâchette élec-Les systèmes étudiés sont • Testerdans des expériences pro-trique, un photon unique ou deux pho-complexes et la compréhension des chaines au CERN ou dans lespacetons jumeaux (bien loin de la descrip-expériences nécessite dimportants les conséquences les plus robustes detion ondulatoire de la lumière). Lesdéveloppements théoriques . Ces déve-la supersymétrie qui unifie bosons etnouveaux lasers loppements sont également réalisés auà cascade quanti-fermions et celles de la relativitéque» dont le principe est fondamenta-Laboratoire Pierre Aigrain, où expé-générale dont les trous noirs et leslement différent de celui des lasersrimentateurs etthéoriciens travaillent ondes gravitationnelles défient en-utilisés jusquà présent en opto-élec-en étroite collaboration, en amont du core une détection directe.tronique, fonctionnent dans la gammemonde technologique de demain. • Comprendre les interactions fortestérahertz avec de nombreuses applica-(les forces nucléaires) à laide de lations potentielles. Dun autre côté, les Laboratoire de théorie des matrices aléatoires de Physique statistique grande taille qui fournissent une nouvelle série de modèles solublesLPS intéressant aussi les théoriciens des Directeur : Eric Perez nombres. • Progresserdans la mécanique statis-Le Laboratoire de physique tique des systèmes hors déquilibre et statistique étudie les phénomènes phy-dans létude des transitions de phase siques qui émergent de la complexité quantiques qui résultent de grandes de systèmes formés de nombreux ob-uctuations quantiques. jets élémentaires en interaction. Ces études allient expériences, théorie et simulations numériques. On y étudie Laboratoire des phénomènes aussi variés que le Un amplificateur paramétrique optique en pleine Pierre Aigrain, mouillage, la cavitation quantique, la action LPA condensation de Bose-Einstein ou les Directeur : Claude Delalande transitions de phases bidimensionnelles mesures de la force nécessaire au dé-de colloïdes de sphères dures polydis-Le Laboratoire Pierre Aigrainroulement du double brin dADN perses. (du nom de son créateur après la der-donnent des informations uniques sur Un domaine en plein essor est nière guerre, qui fut par la suite indus-le fonctionnement de cette molécule. la mécanique statistique hors équili-tiel et secrétaire détat à la recherche)Un point commun de nom-bre: front de croissance, vieillissement est concerné par divers aspects fonda-breuses recherches présentes et à venir des verres, étude des grandes dévia-mentaux de la nano-physique: boîtesest lutilisation dobjets nanoscopiques tions. Les phénomènes non linéaires quantiques et micro-cavités de semi-uniques. Ainsi, un seul nanotube de constituent une bonne part de lactivi-DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE DE LECOLE NORMALE SUPERIEURE www.phys.ens.fr
ECOLE NORMALE SUPÉRIEURE: hydrodynamique de uides com-plexes, turbulence, écoulements granu-
Instabilité dextrusion lors de la fabrication de fibres de polymères
laires. Le champ détude est donc très vaste et souvent aux frontières avec dautres disciplines: étude des proprié-tés mécaniques de lADN et de laction denzymes sur ces molécules, liaisons faibles entre molécules biologiques. Létude des réseaux génétiques, bio-chimiques ou encore de neurones for-
Bactéries eschericia colis
mels conduit à des modélisations de phénomènes aussi complexes que la mémoire.
Laboratoire de R adioastronomie milimétrique LRA Directeur : Michel Perault
se consacreCe petit laboratoire à l'étude de la formation et de l'évolu-tion des objets astrophysiques : planè-tes, étoiles, trous noirs, galaxies.Les très grands télescopes construits en collaboration internationale, au sol et dans l'espace, donnent accès à des me-sures de plus en plus précises des pro-cessus physiques à l'oeuvre, sur la tota-lité du spectre électromagnétique.La simulation numérique lourde est deve-nue indispensable pour valider la mo-délisation de ces processus.
En lien avec les grands labora-toires d'astrophysique d'Ile de France,
Simulation de la formation de nuages intestel-laires.
et en particulier l'Observatoire de Pa-ris, le LRAs'implique fortement dans le développement et dans l'exploitation de grands instruments comme l'Obser-vatoire spatial Herschel (lancement 2008), l'interféromètre géant d'Ataca-ma ALMA(mise en service prévue vers 2012) ou l'Institut de radioastro-nomie millimétrique(IRAM) qui ex-ploite les plus puissants télescopes à ces longueurs d'onde. En collaboration pluridiscipli-naire (physique, astro- et géophysique, mais aussi mathématiques appliquées), le LRA vient de mettre en place un Centre d'études des écoulements ma-gnétisés (magnéto-hydrodynamique), s'appuyant sur un puissant moyen de calcul dédié, installé à l'ENS, le CE-MAG. L'originedu champ magnéti-que (instabilité dynamo), son rôle dans le développement de l'effondrement gravitationnel de proto-étoiles ou de proto-galaxies, en lien avec les proces-sus thermiques ou chimiques, la dy-namique des disques d'accrétion, sont quelques exemples des projets déve-loppés.
ENSEIGNEMENT Directeur des études : Stephan Fauve
Lenseignement, aux niveaux pré-doctoral et doctoral est une mission essentielle du Département et une composante importante de sa vie scientifique. Laformation prédoctoraleest organisée en partenariat avec les Uni-versités Paris VI, Paris VII et Paris XI. Il sagit dun cursus dexcellence, à la fois théorique et expérimental, dans le domaine de la physique fondamentale, dont la vocation essentielle est la for-
2006mation à la recherche. Les deux pre-mières années offrent une formation généraliste aux concepts de base de la physique moderne, spécialement en physique statistique et mécanique quantique. Une part importante est faite aux options, projets expérimen-taux et stages en laboratoire en France et à létranger. Les séminaires géné-raux du département et des séminaires spécifiquement destinés aux étudiants contribuent à présenter un panorama complet de la recherche contempo-raine. A lissu de ces deux années, les étudiants sorientent naturellement vers les multiples spécialités que les universités Paris VI, Paris VII et Paris XI leur offrent dans le cadre dune deuxième année de master recherche en physique fondamentale, en particu-lier vers laspécialitéConcepts fondamentaux de la physique, pilotée par le département. Le département organise en par-tenariat avec les universités Paris VI, Paris VII et Paris XI une préparation à lagrégation de physique. Cette préparation qui s'appuie sur une lon-gue expérience de formation d'ensei-gnants à l'Ecole Normale Supérieure forme chaque année 20 à 25% des candidats reçus à l'agrégation de phy-sique au plan national.
Le département pilotelEcole Doctorale de physique de la ré-gion parisienne quiregroupe de nombreuses équipes effectuant une recherche en physique à caractère es-sentiellement fondamental, aussi bien expérimentale que théorique. Son am-bition est de former des chercheurs qui soient au plus haut niveau de la com-pétition internationale sur un grand nombre de sujets.
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ECOLE NORMALE SUPÉRIEURE
Figure marquante de la physique au département.
Claude Cohen-Tannoudji est né en 1933 à Constan-tine. Après quatre années détudes à Paris à lEcole nor-male supérieure, il passe lagrégation de physique puis devient docteur détat en 1962, avec une thèse portant sur la théorie du pompage optique. Il poursuit ensuite une carrière au CNRS, puis à lUniversité, avant dêtre élu, en 1973, au Collège de France. Il devient membre de lAca-démie des sciences en 1981, puis de plusieurs académies étrangères et reçoit de très nombreux prix tout au long de sa carrière, en particulier la médaille dor du CNRS en 1996. En 1997, il partage le prix Nobel avec Steven Chu et William D. Phillips pour le développement de métho-des pour refroidir et piéger des atomes avec des faisceaux laser ». Claude Cohen-Tannoudji poursuit ses recherches au sein du Laboratoire Kastler Brossel.
Le Département de physique
Directeur du département : Jean-Michel Raimond Mèl : directeur@physique.ens.fr Tél : 01 44 32 33 59 (secrétariat) Fax : 01 44 32 20 08
Enseignements :
Directeur des études et de la formation interuniversitaire de physique : Stephan Fauve Mèl : predoc@physique.ens.fr Tél : 01 44 32 33 53 (secrétariat)
Responsable de la préparation à lagrégation : Jean-Marc Berroir Mèl : agregation@physique.ens.fr Tél : 01 58 07 66 30
Directeur de lécole doctorale de physique de la région parisienne ED 107 : Claude Fabre Mèl : ecoledoc@physique.ens.fr Tél : 01 44 32 35 60 (secrétariat)
Responsable ENS duMaster “Concepts fondamentaux de la physique“ : Michel Brune Mèl : michel.brune@lkb.ens.fr Tél : 01 44 32 33 65
2006
POUR EN SAVOIR PLUS
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FR 684
24, rue Lhomond 75231 Paris cedex 05 Tél : 01 44 32 33 59
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Réalisation : A.L. département de physique
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