Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure

Axe Astrophysique, Cosmologie et Gravitation

La recherche en Astrophysique, Cosmologie et Gravitation au LPENS se développe autour de grands observatoires qui révolutionnent notre connaissance de l’univers. Nous citons quelques exemples liés aux recherches en cours au LPENS de l’univers primordial à l’astrophysique galactique.
– Des observatoires en Antarctique et au Chili dans l’Atacama,  ainsi que le projet spatial LiteBIRD, font suite à la mission spatiale Planck en cartographiant le fond diffus cosmologique micro-ondes pour chercher la signature attendue des ondes gravitationnelles primordiales générées par le big-bang.
– En observant la distribution primordiale des atomes d’hydrogène, le Square Kilometer Array (SKA) permettra de déterminer comment l’Univers s’est progressivement illuminé au fur et à mesure que les étoiles et les galaxies se sont formées puis ont évolué.
– La mission spatiale EUCLID permettra de détecter un éventuel écart à la relativité générale, et d’étudier la nature de la matière noire et de l’énergie noire à travers leurs signatures observationnelles dans la géométrie de l’univers.
Le grand réseau d’antennes millimétrique de l’Atacama (ALMA) au Chili et l’interféromètre de l’IRAM dans les Alpes nous permettent d’étudier la physique de la matière – gaz et poussière dans l’espace circumgalactique et interstellaire – et des champs magnétiques qui conduit à la formation des galaxies, des étoiles et des planètes.

Axe Biophysique

L’axe Biophysique a pour objet l’étude du vivant par le développement d’approches innovantes, tant sur le plan expérimental, avec notamment les outils de la micro-manipulation de molécules et de cellules uniques, de la micro-fluidique, de la microscopie et l’optogénétique, que sur le plan théorique, en se fondant sur les méthodes et concepts de la physique statistique et de la physique non-linéaire. Ces approches visent à étudier les systèmes biologiques, du niveau moléculaire aux systèmes intégrés, que ce soit dans des conditions contrôlées pour réduire et maîtriser la complexité du vivant, ou en s’efforçant de les comprendre dans leur fonctionnement et évolution dans des conditions naturelles. Les systèmes étudiés touchent les thématiques les plus fondamentales en biologie: structure et fonction de l’ADN et des protéines, biologie cellulaire (membranes, tissus, bactéries), génomique et évolution, développement, immunologie, neuroscience, ainsi que des problèmes ayant des retombées médicales, allant de la fertilité au cancer, et témoignant d’un effort constant d’interdisciplinarité.

Axe Fluides et interfaces

Une large part des sujets étudiés par les chercheurs de l’axe Fluides et Interfaces concerne la mécanique des fluides, explorée à toutes les échelles imaginables, de la molécule aux galaxies. Souvent en lien avec les sujets précédents sont aussi considérés des problèmes lies à la mécanique des solides, à la matière molle, aux milieux granulaires, aux instabilités et à la physique statistique. L’axe a une forte composante expérimentale mais il regroupe aussi des théoriciens et des numériciens.

Axe Interactions fondamentales

L’axe Interactions Fondamentales couvre la physique des interactions fondamentales entre constituants élémentaires de la matière se manifestant dans les expériences terrestres (collisionneurs des particules, détecteurs de la matière noire, mesures de précision) ainsi que dans les phénomènes astrophysiques extrêmes (univers primordial, trous noirs). La compréhension actuelle, fondée sur le Modèle Standard des interactions électrofaibles et fortes, et sur la Relativité Générale d’Einstein, est incomplète. Par exemple, elle n’explique pas la nature de la matière et de l’énergie noire (96% de l’énergie totale de l’univers). De plus, la théorie d’Einstein n’est pas compatible avec les lois de la mécanique quantique qui régissent le reste de la physique microscopique. L’objectif est de faire avancer la connaissance des lois fondamentales de la nature aux plus courtes distances et de réconcilier la mécanique quantique avec la gravité.

Axe Matériaux et dispositifs quantiques

L’axe Matériaux et Dispositifs Quantiques rassemble les chercheurs, expérimentateurs et théoriciens, qui étudient la matière condensée à des échelles spatiales ou temporelles telles que les effets de confinement ou de cohérence quantiques sont prépondérants. Les excitations élémentaires ou collectives (électroniques, vibrationnelles, de spin, topologiques, etc) et leurs interactions sont étudiées par des techniques de transport mésocopique haute fréquence ou de spectroscopie optique continue ou ultra-rapide, couvrant le spectre électromagnétique du GHz au visible sur une gamme d’énergie allant du μeV à quelques eV. Le contrôle et la manipulation quantique des propriétés de la matière est mis à profit dans des dispositifs intégrés exploitant le couplage entre ces excitations et les champs électromagnétiques pour réaliser de nouvelles fonctions dans les domaines de l’électronique ou de la photonique quantiques. Parmi les systèmes étudiés récemment, on peut citer les nano et hétéro-structures de semi-conducteurs III-V et II-VI, les matériaux 2D lamellaires comme le graphène, hBN, les dichalchogénures de métaux de transition, les isolants ou semi-métaux topologiques, les matériaux 1D comme les nanotubes de carbone ou les matériaux 0D comme les boîtes quantiques (de semi-conducteurs, de graphène, de perovskites,…). L’axe inclut également des développements technologiques poussés en croissance de matériaux et nano-fabrication.

Axe Physique statistique

Les recherches menées au sein de l’axe Physique Statistique couvrent une multitude d’aspects fondamentaux de la physique statistique théorique, allant des systèmes classiques aux systèmes quantiques, des phénomènes à l’équilibre à ceux hors d’équilibre. Ces recherches sont développées en utilisant des méthodes analytiques ou numériques, en développant de nouvelles approches phénoménologiques ou méthodologiques, en contact avec les expériences ou d’autres domaines scientifiques. Elles comprennent ainsi des études interdisciplinaires ayant de nombreuses applications en mathématiques, en science des données, en sciences cognitives ou en biologie.