Pierre Agostini a soutenu sa thèse à l'université Aix-Marseille en 1968. La même année, il rejoint le CEA à Saclay (dans le laboratoire qui allait devenir le Spas, le Spam puis le Lidyl du CEA-Iramis). Là, il effectue une brillante carrière scientifique jusqu'à son départ en retraite en 2002, demeurant conseiller scientifique jusqu'en 2004. Par ses études pionnières de l'ionisation atomique en champ laser intense, il a forgé les outils de la métrologie attoseconde permettant de mesurer les flashs de lumière les plus brefs jamais produits, et ainsi de valider expérimentalement les observations d'Anne L'Huillier, co-lauréate avec Ferenc Krausz du prix Nobel de physique 2023.
Dès 1968, Pierre Agostini étudie le processus d'ionisation multiphotonique de gaz atomiques induite par un laser infrarouge intense. En 1979, il observe pour la première fois l'ionisation « au-dessus du seuil », c'est-à-dire la possibilité pour un atome d'absorber plus de photons laser que nécessaire pour franchir ce seuil d'ionisation. À partir de 1994, il effectue une série d'études sur l'ionisation induite par une source harmonique XUV superposée à une fraction du champ laser intense excitateur infrarouge (IR). Il observe en particulier des transitions induites au sein du continuum, caractérisées par l'apparition de bandes latérales dans le spectre des électrons émis à l'échelle de la femtoseconde ; ce dont il tirera profit pour mesurer la durée des impulsions harmoniques avec la précision nécessaire.
Première caractérisation d'un train d'impulsions laser attosecondes
Pour atteindre l'attoseconde (as), l'ionisation multi-couleur doit être contrôlée bien plus finement. C'est à partir d'une étude théorique de physiciens de l'Université Sorbonne en 1996, montrant que l'intensité des bandes latérales est modulée à l'échelle du cycle optique en fonction du retard entre les deux faisceaux XUV et IR, que Pierre Agostini et ses collaborateurs proposent leur méthode, aujourd'hui dénommée « Rabbit », avec laquelle ils parviennent à obtenir en 2001 la première caractérisation expérimentale d'un train d'impulsions laser de 250 as. Un exploit qu'il renouvelle en 2003 à Saclay avec un train d'impulsions encore plus court, de 130 as.
La métrologie attoseconde eut un retentissement immédiat car elle ouvrait la voie d'une part à l'optimisation de l'émission attoseconde et, d'autre part, à ses applications. Parmi ces dernières, le comité Nobel a souligné l'avance conceptuelle que constitue l'étude de l'effet photoélectrique en temps réel (processus qu'Einstein avait théorisé en 1905 par l'absorption d'un quantum de lumière (le photon) et l'émission quasi-simultanée d'un électron) ; effet que les chercheurs de l'Iramis sont aujourd'hui capables de filmer.
Pierre Agostini, après avoir exercé plusieurs postes de chercheur invité dans de grands laboratoires européens et américains, devient en 2005 Professeur de physique à l'université d'état de l'Ohio à Columbus (Etats-Unis) puis en 2018 Professeur émérite. Il est honoré de plusieurs distinctions internationales, telles que le Joop Los Award de l'Institut FOM des Pays-Bas et le William F. Meggers Award de l'Optical Society of America en 2007. En 2013, la communauté scientifique a rendu hommage à ses travaux lors du symposium Sympa, en ouverture de la conférence internationale Atto.