Les recherches en nanosciences au CEA se développent autour de trois grands thèmes :

• Le premier thème regroupe les études dédiées à la compréhension des phénomènes physiques à l’échelle nanométrique. Les travaux conduits par les physiciens du CEA recouvrent notamment les champs de la nanoélectronique, de la nanophotonique, du nanomagnétisme, de la spintronique… A l'échelle du nanomètre en effet, bon nombre d'effets qu'il s'agit de comprendre, sont propres à la physique quantique, qui régit les interactions entre les électrons et les photons à l’échelle atomique. Il s’agit pour les chercheurs d’identifier ces effets nouveaux et d’en comprendre les mécanismes. La maîtrise du nanomagnétisme ou de la spintronique vise notamment à mettre au point des dispositifs nanométriques capables de stocker ou traiter des informations, tels que des nanocapteurs pour les piles à combustible, et des nanotransistors pour de futurs ordinateurs et téléphones mobiles.
  

• Le deuxième thème de recherche est consacré à l’étude et à l’élaboration de « nanostructures ». Il s’agit de comprendre pourquoi et dans quel cas la matière s’organise spontanément sous forme de nanostructures et d'établir la corrélation qui peut exister entre la structure d’un matériau à l’échelle nanométrique et ses propriétés physiques ou chimiques. L’objectif est d’apporter des propriétés nouvelles à des matériaux existants et/ou de créer des matériaux totalement nouveaux. Les chercheurs du CEA étudient, par exemple, les processus de croissance et les propriétés spécifiques des nanotubes de carbone, des nanofils de sislicium ou autres semi-conducteurs, afin de pouvoir proposer des matériaux composites, ou nanomatériaux, originaux. Les applications visées touchent une multitude de domaines comme l'énergie et les transports, mais aussi l'optique, les capteurs, les technologies pour la santé.
  
• Le troisième thème de recherche couvre l’ensemble des études dédiées à l’interface physique, chimie et biologie. Il s’agit de comprendre les propriétés physiques ou chimiques des objets biologiques nanométriques, comme les protéines, pour imaginer de nouveaux procédés technologiques alliant ses propriétés. Ces recherches sont particulièrement intéressantes pour les applications médicales. Dans ce domaine, les chercheurs du CEA étudient tout particulièrement la possibilité de mettre au point des matériaux biocompatibles (ex. pour des implants ou des prothèses), de développer des outils de diagnostics et de recherche clinique (ex. puces à ADN, puces à protéines), ou encore de maîtriser l’utilisation de "molécules cages" pour élaborer de nouveaux traitements médicamenteux.