"Un scientifique, comme un sculpteur ou un peintre doit apprendre à regarder le monde extérieur, à retenir l'essentiel, à savoir distinguer le réel du rêve. Et dans la recherche de la vérité, il doit apprendre à devenir véridique"

              Alfred Kastler,
              Discours à l'Université de Bordeaux, 22 mai 1967

Les plus importants et les plus nombreux des travaux d'Alfred Kastler se rapportent à l'étude des interactions des radiations électromagnétiques (ondes hertziennes et ondes lumineuses) avec les atomes et les molécules qui constituent la matière.

Sa carrière de scientifique et de chercheur débute réellement en 1931 à Bordeaux. L'Université de Bordeaux abritait alors la brillante école française de diffusion moléculaire dont le maître d'oeuvre était Jean Cabannes.

En 1931, Alfred Kastler explique la polarisation des raies de Raman (A. Kastler, C.R. (1931) 193). L'effet Raman découvert en 1928, du nom de son inventeur Ch. Raman (Prix Nobel 1928), est un phénomène de diffusion de la lumière par les molécules, caractérisé par le fait que la longueur d'onde de la lumière diffusée est modifiée. Alfred Kastler explique l'état de la polarisation des raies Raman par l'interaction du mouvement cinétique de la lumière excitatrice avec l'orientation spatiale des moments cinétiques des molécules.

Thèse d'Alfred Kastler (1936)

Sa thèse préparée entre 1931 et 1936 sous la direction de Pierre Daure est consacrée à des "Recherches sur la fluorescence visible de la vapeur de mercure" (A. Kastler, Annales de Physique 11è série, Tome 6, Nov 1936). "Mon attention avait été attirée à cette occasion sur les relations qui existent entre les caractères de la polarisation des radiations excitatrices et émises d'une part et l'orientation spatiale des moments cinétiques et magnétiques des atomes d'autre part".

Ce travail de thèse sera déterminant pour l'orientation des travaux qu'Alfred Kastler entreprend après 1949 avec son équipe du laboratoire de physique de l'Ecole Normale Supérieure.

"Ce sont les mêmes relations qui interviennent dans les méthodes optiques de résonance magnétique que j'ai développées au laboratoire de l'Ecole Normale Supérieure".

Après deux années d'enseignement à Clermont-Ferrand, Alfred Kastler revient à Bordeaux en 1938 pour succéder à Pierre Daure à la chaire de physique.

C'est aussi à Bordeaux, puis à partir de 1941 à Paris jusque vers 1949, qu'Alfred Kastler se consacre à des travaux portant sur l'étude de deux phénomènes :

- L'émission de la raie D du sodium par la lumière crépusculaire,
- La spectroscopie Raman des monocristaux.

L'émission de la raie D du sodium par la lumière crépusculaire

Dès 1938, on avait signalé l'apparition de la raie D du sodium dans la lumière du crépuscule. Alfred Kastler a consacré en collaboration avec J. Bricart, puis avec J. E. Blamont ensuite, plusieurs recherches à l'analyse de ce phénomène. En 1940, Alfred Kastler, en utilisant la technique de réabsorption par la vapeur de sodium, montrait que la raie crépusculaire avait une finesse de résonance. Il avait même installé dans sa "demeure champêtre" de Mérignac un spectromètre pour l'étude du phénomène.

L'Etude quantitative de cette réabsorption faite à l'Observatoire du Pic du Midi entre 1943 et 1944 a permis à lui-même et à J. Bricart de préciser la température de la couche émissive du sodium atmosphérique qui se trouve réparti entre 80 et 100 km d'altitude. L'étude de la polarisation de la raie, au cours d'un travail à l'Observatoire d'Abisko en Suède au-delà du cercle polaire où les crépuscules sont longs, a permis de conclure que la raie est due à un phénomène de résonance optique (J. Bricart, A. Kastler, C. R., 228 (1949) 1601).

La spectroscopie Raman des monocristaux

Avec A. Rousset en 1941, Alfred Kastler fait une étude détaillée du spectre Raman du naphtalène. il a pu être montré que les raies de basse fréquence de ce spectre sont liées aux oscillations de pivotement des molécules dans le cristal. Revenu à Paris en 1941, Alfred Kastler poursuit ce type de travaux avec ses élèves (A. Fruhling et J. Chapelle).

Détection optique de la résonance magnétique des états excités

Les travaux de spectroscopie Raman avaient amené peu à peu l'équipe d'Alfred Kastler dans une impasse (J. Brossel), à cause de la difficulté de la méthode et des limitations de l'appareillage. A. Kastler a eu le mérite d'engager la reconversion de son laboratoire. C'est avec Jean Brossel, qui à sa sortie de l'Ecole Normale Supérieure avait rejoint l'équipe d'Alfred Kastler, que le changement d'orientation s'est opéré. Ayant obtenu une bourse, J. Brossel, après avoir passé trois années en Angleterre se rend au MIT aux Etats-Unis pour effectuer sa thèse sous la direction du très renommé Francis Bitter spécialiste en résonance magnétique.

En 1949, Alfred Kastler et Jean Brossel, qui étaient restés en contact étroit avaient indiqué le principe d'une "méthode optique de détection des phénomènes de résonance magnétique". Dans le travail de pionnier accompli dans cette voie par sa thèse, Jean Brossel a appliqué cette méthode au niveau supérieur de la raie de résonance ultraviolette de l'atome de mercure. L'idée fondamentale de la méthode était la suivante "En éclairant un atome avec la lumière d'une raie de résonance, lumière orientée dans l'espace et polarisée, il est possible d'exciter sélectivement des sous-niveaux magnétiques déterminés de l'état excité. Cette sélectivité se réflète dans l'anisotropie spatiale et dans la polarisation de la lumière de résonance émise. Pendant que l'atome est dans l'état excité on le soumet à un champ magnétique à haute fréquence qui provoque des transitions magnétiques conduisant vers l'égalité de population des niveaux magnétiques de l'état excité. La lumière émise s'en trouve modifiée et la résonance magnétique est détectée par l'observation de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumiére émise. Il devient alors possible d'étudier ainsi des résonances de niveaux atomiques excités. Ces études aboutissent à la connaissance précise des facteurs de Landé de ces niveaux, de leur durée de vie et de leur structure hyperfine" (Fig.1).

Fig. 1 : Détection optique de la résonance magnétique des états excités

Le pompage optique (à partir de 1950) (A. Kastler, J. de Physique 11, (1950) 255)

La technique de détection optique de la résonance magnétique proposée en 1949 s'appliquait aux états excités de l'atome. En imaginant en 1950 la méthode de pompage optique, Alfred Kastler a pu étendre la détection optique des résonances hertziennes au niveau fondamental de l'atome. "Le Procédé consiste à éclairer les atomes d'un jet ou d'une vapeur avec de la lumière de résonance convenablement polarisée (le plus souvent on emploie de la polarisation circulaire) ou convenablement filtrée de façon à favoriser l'excitation de certains niveaux Zeeman ou certains niveaux hyperfins de l'état excité. Par le jeu des transitions de retour vers l'état fondamental on obtient une concentration des atomes dans certains niveaux de Zeeman ou hyperfins de l'état fondamental"(Fig.2).

Fig. 2 : Principe du pompage optique

A son retour à Paris en novembre 1951, Jean Brossel s'est associé avec Alfred Kastler. Ensemble ils ont pu développer ces méthodes et constituer au Laboratoire de l'Ecole Normale Supérieure une équipe de chercheurs qui ont travaillé avec succès dans cette voie (J. E. Blamont, C. Cohen-Tannoudji, B. Cagnac).

La consécration de l'oeuvre scientifique d'Alfred Kastler et de son équipe viendra en 1966 : c'est le Prix Nobel de physique. La France avait obtenu son dernier Prix Nobel de physique 37 années auparavant. L'Académie de Suède a décerné son Prix à Alfred Kastler pour "la découverte et le développement des méthodes optiques pour l'étude des résonances hertziennes dans les atomes".

Autres travaux scientifiques

On a souvent essayé de faire le rapprochement entre les travaux d'Alfred Kastler et l'invention du Laser. Alfred kastler s'est toujours défendu d'être le grand-père du Laser. Les "pères" ont obtenu pour cette invention le Prix Nobel deux années auparavant. "Si le pompage optique a été mis en oeuvre pour la réalisation du premier Laser en 1960, ce n'est que le fait du hasard..." conclut Alfred Kastler avec modestie.

Outre ses nombreuses conférences et publications à caractère scientifique, Alfred Kastler a été coauteur d'ouvrages d'enseignement comme ceux de G. Bruhat : "Optique" en 1953 et "Thermodynamique" en 1962. Il est également l'auteur d'un dictionnaire de physique (1983).

A partir de 1970 Alfred Kastler s'est également intéressé à l'histoire des sciences. Il est l'auteur de plusieurs monographies consacrées à S. Carnot, A. Einstein, L. Brillouin, A. Cotton, Les frères Bloch. Lui-même, en 1922, avait pu assister à une conférence d'A. Einstein sur la relativité.

Alfred Kastler s'est également intéressé aux scientifiques de son Alsace natale : des chimistes célèbres (Ch. Gerhardt, Ch. A. Wurtz, Ch. Friedel, A. Werner, ...) et tout particulièrement à ce biologiste et physicien autodidacte originaire de Logelbach dans le Haut-Rhin : G. A. Hirn (1815-1890). Ce n'est pas un hasard. Le grand-père d'Alfred Kastler habitait à Logelbach et connaissait personnellement G. A Hirn.