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Catherine Bréchignac es una especialista en física atómica, subespecializándose en la física molecular. Su investigación se ha preocupado principalmente de los agregados de átomos, conocidos en [[Idioma inglés|inglés]] como "clusters". Es una de los primeros en estar interesados en esos objetos, a veces cerca de las [[nanopartícula]]s. Es autora o coautora de más de 120 artículos en revistas con referato.