Comptes Rendus Physique

François Biraben

The first decades of Doppler-free two-photon spectroscopy

Christian J. Bordé

Des premiers lasers à gaz carbonique aux interféromètres atomiques et moléculaires

Christophe Salomon

Christian Bordé

Pierre Fayet

Tome 20 (2019) – N◦ 1–2 – janvier–février 
Cover illustration. Left: the watt balance developed by the “Laboratoire national d’essais” at its premises in 
Trappes (Yvelines, France). © LNE. Top right: Report on the choice of a unit of measurement, by Mr Borda, 
Mr Lagrange, Mr Laplace, Mr Monge, and Mr Condorcet. Académie des sciences, Paris, 19 March 1791. 
© Archives de l’Académie des sciences, Paris. Bottom right: the sphere interferometer of the 
“Physikalisch-Technische Bundesanstalt” (PTB, Germany) allows complete diameter topographies to be 
determined with extreme accuracy. It is one of the decisive measuring devices within the scope of PTB’s 
Avogadro project. In 1996, it was, for the first time, installed by Gerhard Bönsch and Arnold Nicolaus as a 
fundamentally new optical multi-beam interferometer with spherical reference faces. 
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt (www.ptb.de). Inset: a nearly perfect sphere of ultra-pure silicon 
crystal for the determination of the Planck and Avogadro constants. © NIST (USA).
Illustration de couverture. À gauche : la-balance du watt développée par le Laboratoire national d’essais dans ses 
locaux de Trappes (Yvelines). © LNE. En haut à droite : Rapport sur le choix d’une unité de mesure, par 
MM. Borda, Lagrange, Laplace, Monge et Condorcet. Académie des sciences, Paris, 19 mars 1791. © Archives de 
l’Académie des sciences, Paris. En bas à droite : l’interféromètre à sphère de la Physikalisch-Technische 
Bundesanstalt (PTB, Allemagne) permet de déterminer des topographies de diamètres complets avec une 
précision extrême. C’est l’un des appareils de mesure qui ont joué un rôle décisifs dans le projet Avogadro de la 
PTB. En 1996, Gerhard Bönsch et Arnold Nicolaus l’ont utilisé pour la première fois en tant qu’interféromètre 
optique multifaisceaux à faces de référence sphériques. © Physikalisch-Technische Bundesanstalt (www.ptb.de). 
Médaillon : une sphère presque parfaite de silicium cristallin pour la détermination des constantes de Planck et 
d’Avogadro. © NIST (États-Unis).
DOSSIER
The new International System of Units / Le nouveau Système international d’unités
Coordinators / Coordinateurs : Christophe Salomon, Christian Bordé, Pierre Fayet
• Foreword – The French Academy of Sciences and the systems of units: A long history!
Christophe Salomon, Christian Bordé, Pierre Fayet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
• Les origines du système métrique en France et la Convention du mètre de 1875, qui a ouvert la voie au Système 
international d’unités et à sa révision de 2018
Suzanne Débarbat, Terry Quinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Continued on the next page
Contents (continued)
• A consistent unified framework for the new system of units: Matter–wave optics
Christian J. Bordé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
• A new dual system for the fundamental units, including and going beyond the newly revised SI
Pierre Fayet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
• The Kibble balance and the kilogram
Stephan Schlamminger, Darine Haddad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
• Silicon spheres for the future realization of the kilogram and the mole
Horst Bettin, Kenichi Fujii, Arnold Nicolaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
• State of the art in the determination of the fine-structure constant and the ratio h/mu
Pierre Cladé, François Nez, François Biraben, Saïda Guellati-Khelifa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
• The ampere and the electrical units in the quantum era
Wilfrid Poirier, Sophie Djordjevic, Félicien Schopfer, Olivier Thévenot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
• Determinations of the Boltzmann constant
Laurent Pitre, Mark D. Plimmer, Fernando Sparasci, Marc E. Himbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
• Astronomical distance scales
François Mignard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
• The unit of time: Present and future directions
Sébastien Bize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Guide for authors: https://www.elsevier.com/journals/comptes-rendus-physique/1631-0705/guide-for-authors
Electronic Submission: http://ees.elsevier.com/crphysique/


The French Academy of Sciences and the systems of units: A long history!

A new dual system for the fundamental units including and going beyond the newly revised SI

Thierry Bodineau

Isabelle Gallagher

Laure Saint-Raymond

A microscopic view of the Fourier law

Bernard Barbara

Louis Néel: His multifaceted seminal work in magnetism

Wilfrid Poirier

Sophie Djordjevic

Félicien Schopfer

Olivier Thévenot

The ampere and the electrical units in the quantum era

François Le Chevalier

Nikita Petrov

Benefits of space-time diversity for radar

Éric Bertin

Pablo Jensen

In social complex systems, the whole can be more or less than (the sum of) the parts

Jacques Villain

C. R. Physique 20 (2019) 503–505Contents lists available at ScienceDirect
Comptes Rendus Physique
www.sciencedirect.com
Editorial / Éditorial
Foreword
This issue of Comptes rendus Physique is divided into two distinct parts. The first one brings together contributions from 
laureates who have won prizes awarded in 2018 by the French Academy of Sciences. We asked them to explain their work 
for a broad scientific audience, as the Nobel laureates do. Unfortunately, unlike the Nobel laureates, not all of ours responded 
to our invitation.
The second part brings together papers submitted spontaneously by researchers. In principle, our journal publishes only 
invited articles. This perhaps temporary decision was made a few years ago, because of the high refusal rate, due to the 
high level required. However, any author can submit a manuscript, which is read by the editorial board, possibly submitted 
to a specialist, and sometimes invited and published.
The first article, due to Luc Blanchet (CNES prize – Astrophysics and spatial sciences), concerns gravitational waves, whose 
first observation in 2015 was considered a capital event. And yet, gravitational waves, we had known for a long time that 
they had to exist. Just as the movement of an electron around a nucleus emits light (provided that the initial state is not the 
ground state), the relative motion of two or more masses emits gravitational waves. For example, the movement of the Earth 
around the Sun emits an energy of about 6×109 Joules per year. This energy is obviously lost by the Earth–Sun system, the 
distance between them undergoing a relative decrease of 6×10−24 per year. These disturbances are not observable, and one 
could only hope to observe gravitational waves due to extremely violent (fortunately rare and remote) events due to the 
coming together of very large masses whose comprehension requires the use of general relativity.
One has therefore to solve Einstein’s equations, which is not an easy task. Luc Blanchet explains his method to solve the 
problem.
The article by Sébastien Procureur and David Attié (Ivan Peychès prize) is devoted to what could be called muon radio-
graphy. Muons are able to traverse considerable thicknesses before being absorbed. Actually, tens of meters of stone. They 
were thus able to detect a cavity in Khufu’s pyramid. These muons are kindly provided by Nature, although there are some 
artificial sources of them around the world. The merit of the authors is to have built precise and stable instruments, which 
can be used in difficult conditions.
Sergio Ciliberto’s article (Jaffé prize) discusses the recent progress that has made it possible to extend out-of-equilibrium 
statistical physics to the nanoscale systems that can be realized at the beginning of the twenty-first century. This subject 
was already the subject of a dossier in our journal (June–July 2007). After recalling the theoretical works, Ciliberto explains 
how the experimenters (and he particularly) were able to verify them.
Yvan Castin’s article is also devoted to a finite-size effect that traditional statistical mechanics tended to ignore. This is 
the evolution in time, at very low temperature, of the order parameter of a condensate of pairs of fermions (in this case 
the phase of the condensate wave function). The author shows that this evolution is very different depending on whether 
the phonons (whose collisions are responsible for the loss of memory) have a concave or convex dispersion law with low 
energy. The theory finds its main application in cold atomic gases. One could also think of superconductors, but in this case 
Castin’s analysis is not applicable because of the long-range Coulomb interaction.
The article by K. P. Santhosh and Annu Cyriac is a theory of fission without emission of neutrons, which can take place if 
the kinetic energy of the two emitted nuclei is high enough. This kind of fission is not appropriate to make an atom bomb, 
but the absence of emitted neutrons makes the theory simpler. In fact, the authors treat the problem as a two-body one. The 
two fragments are supposed to interact through a phenomenological potential, and the tunnel effect through the potential 
barrier is treated by standard quantum mechanics. The tunnel probability depends on the nature of the two fragments and 
the highest probability determines the most probable pair of resulting fragments.
The article by Bo Yang, Qiao Shen, Zhiyin Gan, and Sheng Liu addresses a question of technological, but also fundamental 
interest: the production of big diamond crystals. Artificial diamond crystals that can be produced are quite small while, 
as the authors note, huge silicon crystals can be fabricated, even though the crystal structure is the same. The failure of https://doi.org/10.1016/j.crhy.2019.10.001
1631-0705/© 2019 Académie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license 
(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
504 Editorial / Éditorialthe growth of large single-crystal diamonds has probably something to do with the fact that diamond is not the stable 
form of carbon at ordinary pressure, but anyway the authors have succeeded in producing bigger crystals by an appropriate 
design of the substrate holder. This has been considered as an interesting result by our three referees. The authors also try 
to explain this success by a simulation. The model used in this simulation has been criticized by our referees, especially 
because dissociation of dihydrogen into atomic hydrogen has not been properly taken into account. As the authors recognize 
in the published version, their simulation should indeed be regarded as a preliminary work.
The last article, by Nour Ben Taher, Nour Lajimi and Noureddine Boukadida, is devoted to the thermal isolation of a 
building by a phase change material. It is unusual that our journal publishes a paper on a purely technical application of 
elementary physics, deprived of any fundamental novelty. However, since energy saving is currently of great interest for any 
human being, we thought that this work deserves to be published in a non-specialized journal as Comptes rendus Physique. 
In this context, “phase change” always means solid–liquid transition. A point that deserves a comment is the assumption in 
formula (4) of a finite transition range in which the heat capacity varies linearly with temperature. This choice (made by 
many authors) is not motivated by the laws of physics, but by numerical codes that do not like sharp transitions. Figure 7 
shows that the storage of heat by a suitable material can divide by a factor of about 2 the temperature variation between 
day and night.
Avant-propos
Le présent numéro des Comptes rendus Physique se compose de deux parties distinctes. La première rassemble des contri-
butions de lauréats ayant obtenu en 2018 des prix de l’Académie des sciences. Nous leur avons demandé d’expliquer leurs 
travaux à l’intention d’un large public scientifique, comme le font les lauréats des prix Nobel. Hélas, à la différence des 
lauréats Nobel, tous nos lauréats n’ont pas répondu à notre invitation.
La deuxième partie rassemble des communications soumises spontanément par des chercheurs. En principe, notre revue 
ne publie que des articles invités. C’est une décision (peut-être provisoire) qui a été prise il y a quelques années en raison 
du taux de refus élevé, dû au haut niveau exigé. Cependant, tout auteur peut soumettre un manuscrit. Celui-ci est lu par le 
comité de rédaction, éventuellement soumis à un spécialiste, et quelquefois, invité et publié.
Le premier article, dû à Luc Blanchet (prix CNES – Astrophysique et sciences spatiales), concerne les ondes gravita-
tionnelles, dont la première observation en 2015 fut considérée comme un évènement capital. Et pourtant, les ondes 
gravitationnelles, on savait depuis longtemps qu’elles devaient exister. De même que le mouvement d’un électron autour 
d’un noyau émet de la lumière (à condition que l’état initial ne soit pas l’état fondamental), le mouvement relatif de deux 
masses ou plus émet des ondes gravitationnelles. Par exemple, le mouvement de la Terre autour du Soleil émet une énergie 
d’environ 6×109 J par an. Cette énergie est évidemment perdue par le système Terre–Soleil, dont la distance qui les sépare 
subit en conséquence une diminution relative de 6×10−24 par an. Ces perturbations sont trop faibles pour être observables, 
et on ne pouvait espérer observer que des ondes gravitationnelles dues à des événements extrêmement violents (mais 
heureusement rares et lointains) dus au rapprochement de très grosses masses. La compréhension de tels phénomènes 
nécessite l’emploi de la relativité générale.
Il faut donc résoudre les équations d’Einstein, ce qui n’est pas chose facile. Luc Blanchet explique comment il y est 
parvenu.
L’article de Sébastien Procureur et David Attié (prix Ivan-Peychès) est consacré à ce qu’on pourrait appeler la radiographie 
par muons. Les muons sont capables de traverser des épaisseurs considérables avant d’être absorbés. En l’occurrence, des 
dizaines de mètres de pierre, ce qui leur a permis de détecter une cavité dans la pyramide de Chéops. Ces muons sont 
aimablement fournis par la Nature, même s’il en existe à travers le monde quelques sources artificielles. Le mérite des 
auteurs est d’avoir construit des instruments précis et stables, pouvant être utilisés dans des conditions difficiles.
La contribution de Sergio Ciliberto (prix Jaffé) expose les récents progrès qui ont permis d’étendre la physique statistique 
hors équilibre aux systèmes nanométriques qu’on sait réaliser en ce début de vingt-et-unième siècle. Ce sujet fit déjà l’objet 
d’un dossier dans notre revue en juin–juillet 2007. Après avoir rappelé les travaux théoriques, Ciliberto explique comment 
les expérimentateurs (et lui particulièrement) ont pu les vérifier.
Le papier d’Yvan Castin est lui aussi consacré à un effet de taille finie que la mécanique statistique traditionnelle avait 
tendance à ignorer. Il s’agit du brouillage avec le temps dans le temps, à très basse température, du paramètre d’ordre d’un 
condensat de paires de fermions (en l’occurrence la phase de la fonction d’onde dudit condensat). L’auteur montre que ce 
brouillage se fait de façon très différente selon que les phonons de la branche acoustique du superfluide (dont les collisions 
sont responsables de la perte de mémoire) ont une loi de dispersion concave ou convexe à faible énergie. La théorie trouve 
son application principale dans les gaz d’atomes froids. On pourrait aussi penser aux supraconducteurs, mais dans ce cas 
l’analyse ne s’applique pas directement, à cause de l’interaction coulombienne à longue portée.
L’article de K. P. Santhosh et Annu Cyriac renferme une théorie de la fission sans émission de neutrons, qui peut avoir lieu 
si l’énergie cinétique des deux noyaux émis est suffisamment élevée. Ce type de fission n’est pas approprié pour fabriquer 
une bombe atomique, mais l’absence de neutrons simplifie la théorie. En fait, les auteurs traitent le problème comme un 
problème à deux corps. Les deux fragments sont supposés interagir via un potentiel phénoménologique et l’effet tunnel à 
travers la barrière de potentiel est traité par la mécanique quantique standard. La probabilité de tunnel dépend de la nature 
Editorial / Éditorial 505des deux fragments et la probabilité la plus élevée détermine quels sont les deux fragments qui ont le plus de chance d’être 
obtenus.
L’article de Bo Yang, Qiao Shen, Zhiyin Gan et Sheng Liu aborde une question d’intérêt technologique, mais aussi fonda-
mental : la production de gros monocristaux de diamant. Les cristaux de diamant artificiels qui peuvent être produits sont 
petits alors que, comme le rappellent les auteurs, d’énormes cristaux de silicium peuvent être fabriqués, bien que la struc-
ture cristalline soit la même. L’échec de la croissance de gros monocristaux de diamant a probablement quelque chose à 
voir avec le fait que le diamant n’est pas la forme stable du carbone à la pression ordinaire, mais les auteurs ont néanmoins 
réussi à produire des cristaux plus gros grâce à une conception appropriée du support de substrat. Cela a été considéré 
comme un résultat intéressant par trois experts. Les auteurs tentent également d’expliquer ce succès par une simulation. Le 
modèle utilisé dans cette simulation a été critiqué par nos arbitres, notamment parce que la dissociation du dihydrogène en 
hydrogène atomique n’a pas été correctement prise en compte. Comme les auteurs le reconnaissent dans la version publiée, 
leur simulation doit en effet être considérée comme un travail préliminaire.
La dernière contribution, par Nour Ben Taher, Nour Lajimi et Noureddine Boukadida, est consacrée à l’isolation thermique 
d’un bâtiment par un matériau à changement de phase. Il est inhabituel que notre revue publie un article sur une appli-
cation purement technique de la physique élémentaire, privée de toute nouveauté fondamentale. Cependant, les économies 
d’énergie étant actuellement d’un grand intérêt pour tout être humain, nous avons pensé que ce travail mérite d’être publié 
dans une revue non spécialisée telle que les Comptes rendus Physique. Dans ce contexte, le « changement de phase » signi-
fie toujours une transition solide–liquide. Un point qui mérite un commentaire est l’hypothèse dans la formule (4) d’une 
zone de transition finie dans laquelle la capacité calorifique varie de manière linéaire avec la température. Ce choix (fait 
par beaucoup d’auteurs) n’est pas motivé par les lois de la physique, mais par les codes numériques qui n’aiment pas les 
transitions abruptes. La Figure 7 de l’article montre que le stockage de la chaleur par un matériau approprié peut diviser 
par un facteur 2 environ la variation de température entre le jour et la nuit.
Jacques Villain


Foreword

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