Diese Diplomarbeit untersucht den Casimir-Effekt zwischen normal- und supraleitenden Platten über einen weiten Temperaturbereich, sowie die Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem Atom und einer solchen Oberfläche. Hierzu wurden vorwiegend numerische und asymptotische Rechnungen durchgeführt. Die optischen Eigenschaften der Oberflächen werden dann aus dielektrischen Funktionen oder optischen Leitfähigkeiten erhalten. Wichtige Modellen werden vorgestellt und insbesondere im Hinblick auf ihre analytischen und kausalen Eigenschaften untersucht. Es wird vorgestellt, wie sich die Casimir-Energie zwischen zwei normalleitenden Platten berechnen lässt. Frühere Arbeiten über den in allen metallischen Kavitäten vorhandenen Beitrag von Oberflächenplasmonen zur Casimir-Wechselwirkung wurden zum ersten mal auf endliche Temperaturen erweitert. Für Supraleiter wird eine analytische Fortsetzung der BCS-Leitfähigkeiten zu rein imaginären Frequenzen, sowohl innerhalb wie außerhalb des schmutzigen Grenzfalles verschwindender mittlerer freier Weglänge vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die aus dieser neuen Beschreibung erhaltene freie Casimir-Energie in bestimmten Bereichen der Materialparameter hervorragend mit der im Rahmen des Zwei-Fluid-Modells für den Supraleiter berechneten übereinstimmt. Die Casimir-Entropie einer supraleitenden Kavität erfüllt den Nernstschen Wärmesatz und weist einen charakteristischen Sprung beim Erreichen des supraleitenden Phasenübergangs auf. Diese Effekte treten ebenfalls in der magnetischen Casimir-Polder-Wechselwirkung eines Atoms mit einer supraleitenden Oberfläche auf. Es wird ferner gezeigt, dass die magnetische Dipol-Wechselwirkung eines Atomes mit einem Metall sehr stark von den dissipativen Eigenschaften und insbesondere von den Oberflächenströmen abhängt. Dies führt zu einer starken Unterdrückung der magnetischen Casimir-Polder-Energie bei endlichen Temperaturen und Abständen oberhalb der thermischen Wellenlänge. Die Casimir-Polder-Entropie verletzt in einigen Modellen den Nernstschen Wärmesatz.Ähnliche Effekte werden für den Casimir-Effekt zwischen Platten kontrovers diskutiert. In den entsprechenden elektrischen Dipol-Wechselwirkungen tritt keiner dieser Effekte auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das bekannte Plasma-Modells als Grenzfall eines Supraleiters bei niedrigen Temperaturen (bekannt als London-Theorie) zu betrachten, statt als Beschreibung eines normales Metalles. Supraleiter bieten die Möglichkeit, die Dissipation der Oberflächenströme in hohem Maße zu steuern. Dies könnte einen experimentellen Zugang zu den optischen Eigenschaften von Metallen bei niedrigen Frequenzen erlauben, die eng mit dem thermischen Casimir-Effekt verknüpft sind. Anders als in entsprechenden Mikrowellen-Experimenten sind hierbei die Energien und Impulse unabhängige Größen. Die Messung der Oberflächenwechselwirkung zwischen Atomen und Supraleitern ist mit den heute verfügbaren Atomfallen auf Mikrochips möglich und der magnetische Anteil der Wechselwirkung sollte spektroskopischen Techniken zugänglich sein / This thesis investigates the Casimir effect between plates made of normal and superconducting metals over a broad range of temperatures, as well as the Casimir-Polder interaction of an atom to such a surface. Numerical and asymptotical calculations have been the main tools in order to do so. The optical properties of the surfaces are described by dielectric functions or optical conductivities, which are reviewed for common models and have been analyzed with special weight on distributional properties and causality. The calculation of the Casimir energy between two normally conducting plates (cavity) is reviewed and previous work on the contribution to the Casimir energy due to the surface plasmons, present in all metallic cavities, has been generalized to finite temperatures for the first time. In the field of superconductivity, a new analytical continuation of the BCS conductivity to to purely imaginary frequencies has been obtained both inside and outside the extremely dirty limit of vanishing mean free path. The Casimir free energy calculated from this description was shown to coincide well with the values obtained from the two fluid model of superconductivity in certain regimes of the material parameters. The Casimir entropy in a superconducting cavity fulfills the third law of thermodynamics and features a characteristic discontinuity at the phase transition temperature. These effects were equally encountered in the Casimir-Polder interaction of an atom with a superconducting wall. The magnetic dipole coupling of an atom to a metal was shown to be highly sensible to dissipation and especially to the surface currents. This leads to a strong quenching of the magnetic Casimir-Polder energy at finite temperature. Violations of the third law of thermodynamics are encountered in special models, similar to phenomena in the Casimir-effect between two plates, that are debated controversely. None of these effects occurs in the analog electric dipole interaction. The results of this work suggest to reestablish the well-known plasma model as the low temperature limit of a superconductor as in London theory rather than use it for the description of normal metals. Superconductors offer the opportunity to control the dissipation of surface currents to a great extent. This could be used to access experimentally the low frequency optical response of metals, which is strongly connected to the thermal Casimir-effect. Here, differently from corresponding microwave experiments, energy and momentum are independent quantities. A measurement of the total Casimir-Polder interaction of atoms with superconductors seems to be in reach in today’s microchip-based atom-traps and the contribution due to magnetic coupling might be accessed by spectroscopic techniques

Les collisions entre atomes ultrafroids et surfaces matérielles sont caractérisées par la réflexion de l'onde de matière atomique sur le potentiel attractif de Casimir-Polder. Cette réflexion quantique est déterminante pour des expériences telles que GBAR, qui mesurera l'accélération d'un atome d'antihydrogène froid chutant vers une plaque de détection. Dans cette thèse, le potentiel de Casimir-Polder est calculé à partir des propriétés de diffusion électromagnétique de l'atome et de la surface. Il s'avère dépendre de la réponse diélectrique, de l'épaisseur et de la densité du milieu. Nous montrons que la réflexion sur ce potentiel est associée à une rupture de l'approximation semiclassique et qu'elle augmente pour des atomes lents et des potentiels faibles. Les transformations de Liouville relient des équations de Schrödinger avec des potentiels différents mais les mêmes amplitudes de diffusion. L'équivalence entre la réflexion quantique sur un puits de potentiel et l'effet tunnel à travers une barrière offre de nouvelles perspectives sur le problème. Nous discutons aussi des effets de la gravité sur le paquet d'onde atomique et de ses conséquences pour les expériences avec des atomes en chute libre. Associée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité permet de maintenir des particules dans des états à longue durée de vie aux applications prometteuses pour la métrologie. En particulier, nous proposons un système pour améliorer la précision de GBAR en réduisant la dispersion en vitesse des atomes d'antihydrogène. / Collisions between ultracold atoms and material surfaces are characterized by the reflection of the atomic matter wave from the attractive Casimir-Polder potential. This quantum reflection is particularly relevant to experiments such as GBAR, which will determine the gravitational acceleration of a cold antihydrogen atom by timing its fall onto a detection plate. In this thesis, the Casimir-Polder potential is computed from the electromagnetic scattering properties of the atom and surface and it is found to depend notably on the dielectric response, thickness and density of the medium. We show that reflection on this potential is associated with a breakdown of the semiclassical approximation and that it is enhanced for slow atoms and weak potentials. Liouville transformations relate Schrödinger equations with different potential landscapes but identical scattering properties. We gain new insights on the problem of quantum reflection on a potential well by mapping it onto an equivalent problem of tunneling through a wall. We also discuss the effect of gravity on the atomic wavepacket and its implications for free fall experiments with atoms. When combined with quantum reflection from a horizontal mirror, gravity can be used to trap particles in long lived states with promising applications for metrology. In particular, we suggest a scheme to improve the precision of the GBAR experiment by reducing the velocity dispersion of the falling atoms.

Ce travail de thèse présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G. L'objectif de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre des atomes piégés dans un réseau optique et une surface massive à une grande précision. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'effet Casimir-Polder induit par la surface sur les atomes. Le but était de fournir la prédiction la plus précise possible des états atomiques. Ceci a consisté à considérer les effets de la température sur l'interaction Casimir-Polder et modéliser la surface de la manière la plus réaliste possible. Afin de résoudre le problème de divergence qu'impliquait un traitement perturbatif de l'interaction atome-surface, nous avons développé une méthode numérique pour un traitement non-perturbatif de l'interaction Casimir-Polder et modélisé l'interaction atome-surface à très courte distance par un potentiel de Lennard-Jones. Chaque effet et incertitude sur les états atomiques ont été évalués afin de déterminer s'ils seraient observables ou un facteur limitant en regard de la précision visée par l'expérience. Enfin nous nous sommes intéressés au cas d'un déséquilibre thermique entre la température du miroir et la température de l'environnement qui pourrait être induit par les lasers en présence ou un laser de chauffage. Nous avons calculé la correction du potentiel Casimir-Polder due au déséquilibre et évalué l'effet sur les niveaux d'énergie atomiques pour déterminer si cet effet pouvait être mesuré. / This thesis presents the theoretical modeling of the experiment FORCA-G. The purpose of this experiment is to measure short-range interactions between trapped atoms in an optical lattice and a massive surface with a high precision. We are focused on Casimir-Polder effect induced by the surface on the atoms. The aim was to give the most possible precise prediction of atomic states. This work took the temperature effects on Casimir-Polder interaction into account, modelled the surface of the experiment. In order to solve the divergence problem due to the perturbative treatment of the atom-surface interaction, we developed a digital method for a non-perturbative treatment of the Casimir-Polder interaction and modelled the short-range atom-surface interaction by a Lennard-Jones potential. Each effect and uncertainties on the atomic states were evaluated so that we know if they could be observable or a limiting factor compared to the experiment precision. Finally we were focused on an out of thermal equilibrium situation between the miroir and environment temperature which may be induced by the lasers. We computed the correction to the Casimir-Polder potential due to this disequilibrium and evaluated the effect on the atomic states.

The Casimir-Polder interaction between a single neutral atom and a nearby surface, arising from the (quantum and thermal) fluctuations of the electromagnetic field, is a cornerstone of cavity quantum electrodynamics (cQED), and theoretically well established. Recently, Bose-Einstein condensates (BECs) of ultracold atoms have been used to test the predictions of cQED. The purpose of the present thesis is to upgrade single-atom cQED with the many-body theory needed to describe trapped atomic BECs. Tools and methods are developed in a second-quantized picture that treats atom and photon fields on the same footing. We formulate a diagrammatic expansion using correlation functions for both the electromagnetic field and the atomic system. The formalism is applied to investigate, for BECs trapped near surfaces, dispersion interactions of the van der Waals-Casimir-Polder type, and the Bosonic stimulation in spontaneous decay of excited atomic states. We also discuss a phononic Casimir effect, which arises from the quantum fluctuations in an interacting BEC. / Die durch (quantenmechanische und thermische) Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes hervorgerufene Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem elektrisch neutralen Atom und einer benachbarten Oberfläche stellt einen theoretisch gut untersuchten Aspekt der Resonator-Quantenelektrodynamik (cavity quantum electrodynamics, cQED) dar. Seit kurzem werden atomare Bose-Einstein-Kondensate (BECs) verwendet, um die theoretischen Vorhersagen der cQED zu überprüfen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bestehende cQED Theorie für einzelne Atome mit den Techniken der Vielteilchenphysik zur Beschreibung von BECs zu verbinden. Es werden Werkzeuge und Methoden entwickelt, um sowohl Photon- als auch Atom-Felder gleichwertig in zweiter Quantisierung zu beschreiben. Wir formulieren eine diagrammatische Störungstheorie, die Korrelationsfunktionen des elektromagnetischen Feldes und des Atomsystems benutzt. Der Formalismus wird anschließend verwendet, um für in Fallen nahe einer Oberfläche gehaltene BECs Atom-Oberflächen-Wechselwirkungen vom Casimir-Polder-Typ und die bosonische Stimulation des spontanen Zerfalls angeregter Atome zu untersuchen. Außerdem untersuchen wir einen phononischen Casimir-Effekt, der durch die quantenmechanischen Fluktuationen in einem wechselwirkenden BEC entsteht.