The accurate calculation of atomic spectra, including radiative corrections, is one of the rather challenging tasks in theoretical physics. The entire formalism of quantum (gauge) field theory, augmented by the difficulties of the bound-state formalism, is needed for an accurate understanding of the relevant physics at the level of current high-precision spectroscopy. In this thesis, several calculations in this area are described in detail. Investigations on large-order perturbation-theory effects (and predictive limits of perturbation theory) supplement these investigations. In the context of applications, numerical algorithms for the acceleration of the convergence of series are discussed.

The accurate calculation of atomic spectra, including radiative corrections, is one of the rather challenging tasks in theoretical physics. The entire formalism of quantum (gauge) field theory, augmented by the difficulties of the bound-state formalism, is needed for an accurate understanding of the relevant physics at the level of current high-precision spectroscopy. In this thesis, several calculations in this area are described in detail. Investigations on large-order perturbation-theory effects (and predictive limits of perturbation theory) supplement these investigations. In the context of applications, numerical algorithms for the acceleration of the convergence of series are discussed.

In dieser Arbeit wird eine systematische Methode gegeben um die Amplituden in (skalarer) Quantenelektrodynamik und nicht-Abelsche Eichtheorien in Schwinger-parametrische Form zu schreiben. Dies wird erreicht in dem der Zähler der Feynmanregeln im Impulsraum in einem Differentialoperator umgewandelt wird. Dieser Differentialoperator wirkt dann auf den parametrichen Integranden der skalaren Theorie. Für die QED ist das am einfachsten, weil die Leibnizregel hier nicht nötig ist. Im Fall der sQED und den nicht-Abelsche Eichtheorien stehen die Beiträge der Leibnizregel in Verbindung mit 4-valente Vertices. Eine andere Eigenschaft dieser Methode ist, dass mit dem hier benutzten Renormierungsschema die Subtraktionen für 1-scale Graphen signifikante Vereinfachungen verursachen. Weiterhin wurden die Ward-Identitäte für die genannten drei Theorien studiert. / In this thesis a systematic method is given for writing the amplitudes in (scalar) quantum electrodynamics and non-Abelian gauge theories in Schwinger parametric form. This is done by turning the numerator of the Feynman rules in momentum space into a differential operator. It acts then on the parametric integrand of the scalar theory. For QED it is the most straightforward, because the Leibniz rule is not involved here. In the case of sQED and non-Abelian gauge theories, the contributions from the Leibniz rule are satisfyingly related to 4-valent vertices. Another feature of this method is that in the used renormalization scheme, the subtractions for 1-scale graphs cause significant simplifications. Furthermore, the Ward identities for mentioned three theories are studied.

Das Strahlungsfeld in einem absorbierenden, periodischen Dielektrikum ist kanonisch quantisiert worden. Dabei wurde ein eindimensionales Modell mit punktförmigen Streuern betrachtet, deren Polarisierbarkeit den Kramers-Kronig Relationen gehorcht. Es wurde ein Quantisierungsverfahren nach Knöll, Scheel und Welsch [1] verwendet, das als eine Ergänzung zum mikroskopischen Huttner-Barnett Schema [2] aufgefaßt werden kann und in dem auf der Basis der phänomenologischen Maxwell Gleichungen eine bosonische Rauschpolarisation als die Quelle des Feldes auftritt. Das Problem reduziert sich dabei auf die Bestimmung der klassischenGreens Funktion. Die Kramers-Kronig Relationen der komplexen Polarisierbarkeit der Punktstreuer sichert die korrekte Verknüpfung zwischen Dispersion und Absorption. Der Punktstreuer ist dabei ein idealisiertes Modell, um periodische Hintergrundmedien, denen das Strahlungsfeld ausgesetzt ist, zu beschreiben. Er bedarf jedoch eines Kompromisses, um die entsprechenden Rauschquellen zu konstruieren. Es konnte gezeigt werden, daß der Punktstreuer dasselbe Streuverhalten wie eine dünne Potentialschwelle besitzt und damit die technischen Schwierigkeiten für den Fall eines absorptiven Punktstreuers überwunden werden können. An Hand dieses Beispiels konnte das Quantisierungsschema nach Knöll, Scheel und Welsch auf periodische und absorbierende Strukturen angewendet werden. Es ist bekannt, daß die Bestimmung der Modenstruktur für den Fall der Modenzerlegung des Strahlungsfeldes ein rein klassisches Problem darstellt. Mit Ausnahme des Vakuums ist eine zweckmäßige Modenzerlegung nur dann durchführbar, wenn mit einer reellen Polarisierbarkeit die Absorption vernachlässigt werden kann. Aus den Kramers-Kronig Relationen wird klar, daß solch eine Annahme nur in bestimmten Intervallen des Frequenzspektrums gerechtfertigt werden kann. Es wurde gezeigt, daß auch das quantisierte Strahlungsfeld in Anwesenheit der Punktstreuer in eben solchen Intervallen in Quasimoden entwickelt werden kann, wenn man neue Quasioperatoren als Erzeuger und Vernichter einführt. Die bosonischen Vertauschungsrelationen dieser Operatoren konnten bestätigt werden. Die allgemeine Vertauschungsrelation kanonisch konjugierter Variablen im Sinne der kanonischen Quantisierung kann für das elektrische Feld und das Vektorpotential beibehalten werden. In der Greens Funktion sind sämtliche Informationen über die dispersiven und absorptiven Eigenschaften des Dielektrikums sowie über die räumliche Struktur enthalten. Die wesentlichen Merkmale werden dabei durch den Reflexionskoeffizienten nach Boedecker und Henkel [3] bestimmt, der das Reflexionsverhalten an einem unendlich ausgedehnten Halbraum aus periodisch angeordneten Punktstreuern beschreibt. Mit Hilfe des Transfermatrixformalismus war es möglich einen allgemeinen Zugang zum Reflexionsverhalten zunächst endlicher Strukturen zu erhalten. Die Ausdehnung auf den Halbraum mit Hilfe der Klassifizierung in Untergruppen der Transfermatrizen nach ermöglichte es, den Reflexionskoeffizienten nach Boedecker und Henkel [3] auch geometrisch plausibel zu machen. Ein wesentlicher Aspekt von periodischen Systemen ist die Translationssymmetrie, die im Fall unendlich ausgedehnter, verlustfreier Systeme auf eine ideale Bandstruktur führt. Mit Hilfe der Untergruppenklassifizierung kann im verlustfreien Fall die Geometrie der Anordnung indirekt mit der Bandstruktur verknüpft werden. Es konnte nachgewiesen werden, daß auch der einzelne Punktstreuer immer in einer dieser Untergruppen zu finden ist. Dabei besitzt die Bandstruktur der unendlich periodischen Anordnung dieser Streuer immer eine von der Polarisierbarkeit abhängige Bandkante und eine von der Polarisierbarkeit unabhängige Bandkante. Die Bandstruktur, die mit den verlustbehafteten Feldern einhergeht, ist eine doppelt komplexe. Alternativ zu dieser nur schwer zu interpretierenden Bandstruktur wurden die Feldfluktuationen selektiv nach reellen Frequenzen und Wellenzahlen sondiert. Es zeigt sich, daß Absorption besonders in der Nähe der Bandkanten die Bänder verbreitert. Die Ergebnisse, die mit Hilfe der lokalen Zustandsdichtefunktion gewonnen wurden, konnten dabei bestätigt werden. [1] S. Scheel, L. Knöll and D. G. Welsch, Phys.Rev. A 58, 700 (1998). [2] B. Huttner and S. M. Barnett, Phys. Rev. A 46, 4306 (1992). [3] G. Boedecker and C. Henkel, OPTICS EXPRESS 11, 1590 (2003). / A canonical scheme based on the phenomenological Maxwell equations in the presence of dielectric matter is used to quantize the electromagnetic field in a periodic and lossy linear dielectric. We focus on a one-dimensional model of point scatterers with given frequency-dependent complex permittivity, and construct an expansion of the field operators that is based on the Green function and preserves the canonical equal-time commutation relations. Translation symmetry is secured by working with an infinite lattice. The impact of absorption is examined using the local density of states and the decay rate of a phase-coherent dipole chain located inside the structure. Incidentally the model is used to bring about a geometrical interpretation of the reflection from multilayers

In dieser Dissertation geht es um Schwinger-parametrische Feynmanintegrale in der Quantenelektrodynamik. Mittels einer Vielzahl von Methoden aus der Kombinatorik und Graphentheorie wird eine signifikante Vereinfachung des Integranden erreicht. Nach einer größtenteils in sich geschlossenen Einführung zu Feynmangraphen und -integralen wird die Herleitung der Schwinger-parametrischen Darstellung aus den klassischen Impulsraumintegralen ausführlich erläutert, sowohl für skalare Theorien als auch Quantenelektrodynamik. Es stellt sich heraus, dass die Ableitungen, die benötigt werden um Integrale aus der Quantenelektrodynamik in ihrer parametrischen Version zu formulieren, neue Graphpolynome enthalten, die auf Zykeln und minimalen Schnitten (engl. "bonds") basieren. Danach wird die Tensorstruktur der Quantenelektrodynamik, bestehend aus Dirac-Matrizen und ihren Spuren, durch eine diagrammatische Interpretation ihrer Kontraktion zu ganzzahligen Faktoren reduziert. Dabei werden insbesondere gefärbte Sehnendiagramme benutzt. Dies liefert einen parametrischen Integranden, der über bestimmte Teilmengen solcher Diagramme summierte Produkte von Zykel- und Bondpolynomen enthält. Weitere Untersuchungen der im Integranden auftauchenden Polynome decken Verbindungen zu Dodgson- und Spannwaldpolynomen auf. Dies wird benutzt um eine Identität zu beweisen, mit der sehr große Summen von Sehnendiagrammen in einer kurzen Form ausgedrückt werden können. Insbesondere führt dies zu Aufhebungen, die den Integranden massiv vereinfachen. / This thesis is concerned with the study of Schwinger parametric Feynman integrals in quantum electrodynamics. Using a variety of tools from combinatorics and graph theory, significant simplification of the integrand is achieved. After a largely self-contained introduction to Feynman graphs and integrals, the derivation of the Schwinger parametric representation from the standard momentum space integrals is reviewed in full detail for both scalar theories and quantum electrodynamics. The derivatives needed to express Feynman integrals in quantum electrodynamics in their parametric version are found to contain new types of graph polynomials based on cycle and bond subgraphs. Then the tensor structure of quantum electrodynamics, products of Dirac matrices and their traces, is reduced to integer factors with a diagrammatic interpretation of their contraction. Specifically, chord diagrams with a particular colouring are used. This results in a parametric integrand that contains sums of products of cycle and bond polynomials over certain subsets of such chord diagrams. Further study of the polynomials occurring in the integrand reveals connections to other well-known graph polynomials, the Dodgson and spanning forest polynomials. This is used to prove an identity that expresses some of the very large sums over chord diagrams in a very concise form. In particular, this leads to cancellations that massively simplify the integrand.

Thermal and quantum fluctuations of the electromagnetic near field of atoms and macroscopic bodies play a key role in quantum electrodynamics (QED), as in the Lamb shift. They lead, e.g., to atomic level shifts, dispersion interactions (Van der Waals-Casimir-Polder interactions), and state broadening (Purcell effect) because the field is subject to boundary conditions. Such effects can be observed with high precision on the mesoscopic scale which can be accessed in micro-electro-mechanical systems (MEMS) and solid-state-based magnetic microtraps for cold atoms (‘atom chips’). A quantum field theory of atoms (molecules) and photons is adapted to nonequilibrium situations. Atoms and photons are described as fully quantized while macroscopic bodies can be included in terms of classical reflection amplitudes, similar to the scattering approach of cavity QED. The formalism is applied to the study of nonequilibrium two-body potentials. We then investigate the impact of the material properties of metals on the electromagnetic surface noise, with applications to atomic trapping in atom-chip setups and quantum computing, and on the magnetic dipole contribution to the Van der Waals-Casimir-Polder potential in and out of thermal equilibrium. In both cases, the particular properties of superconductors are of high interest. Surface-mode contributions, which dominate the near-field fluctuations, are discussed in the context of the (partial) dynamic atomic dressing after a rapid change of a system parameter and in the Casimir interaction between two conducting plates, where nonequilibrium configurations can give rise to repulsion. / Thermische und Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Nahfelds von Atomen und makroskopischen Körpern spielen eine Schlüsselrolle in der Quantenelektrodynamik (QED), wie etwa beim Lamb-Shift. Sie führen z.B. zur Verschiebung atomarer Energieniveaus, Dispersionswechselwirkungen (Van der Waals-Casimir-Polder-Wechselwirkungen) und Zustandsverbreiterungen (Purcell-Effekt), da das Feld Randbedingungen unterliegt. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und festkörperbasierte magnetische Fallen für kalte Atome (‘Atom-Chips’) ermöglichen den Zugang zu mesoskopischen Skalen, auf denen solche Effekte mit hoher Genauigkeit beobachtet werden können. Eine Quantenfeldtheorie für Atome (Moleküle) und Photonen wird an Nichtgleichgewichtssituationen angepasst. Atome und Photonen werden durch vollständig quantisierte Felder beschrieben, während die Beschreibung makroskopischer Körper, ähnlich wie im Streuformalismus (scattering approach) der Resonator-QED, durch klassische Streuamplituden erfolgt. In diesem Formalismus wird das Nichtgleich- gewichts-Zweiteilchenpotential diskutiert. Anschließend wird der Einfluss der Materialeigenschaften von normalen Metallen auf das elektromagnetische Oberflächenrauschen, das für magnetische Fallen für kalte Atome auf Atom-Chips und für Quantencomputer-Anwendungen von Bedeutung ist, sowie auf den Beitrag des magnetischen Dipolmoments zum Van der Waals-Casimir-Polder-Potential im thermisch- en Gleichgewicht und in Nichtgleichgewichtssituationen untersucht. In beiden Fällen sind die speziellen Eigenschaften von Supraleitern von besonderem Interesse. Beiträge von Oberflächenmoden, die die Feldfluktuationen im Nahfeld dominieren, werden im Kontext des (partiellen) dynamischen Dressing nach einer raschen Änderung eines Systemparameters sowie für die Casimir-Wechselwirkung zweier metallischer Platten diskutiert, zwischen denen in Nichtgleichgewichtssituationen Abstoßung auftreten kann.

Studies of the hyperfine splitting in hydrogen are strongly motivated by the level of accuracy achieved in recent atomic physics experiments, which yield finally model-independent informations about nuclear structure parameters with utmost precision. Considering the current status of the determination of corrections to the hyperfine splitting of the ground state in hydrogen, this thesis provides further improved calculations by taking into account the most recent value for the proton charge radius. Comparing theoretical and experimental data of the hyperfine splitting in hydrogen the proton-size contribution is extracted and a relativistic formula for this contribution is derived in terms of moments of the nuclear charge and magnetization distributions. An iterative scheme for the determination of the Zemach and magnetic radii of the proton is proposed. As a result, the Zemach and magnetic radii are determined and the values are compared with the corresponding ones deduced from data obtained in electron-proton scattering experiments. The extraction of the Zemach radius from a rescaled difference between the hyperfine splitting in hydrogen and in muonium is considered as well. Investigations of forbidden radiative transitions in few-electron ions within ab initio QED provide a most sensitive tool for probing the influence of relativistic electron-correlation and QED corrections to the transition rates. Accordingly, a major part of this thesis is devoted to detailed studies of radiative and interelectronic-interaction effects to the transition probabilities. The renormalized expressions for the corresponding corrections in one- and two-electron ions as well as for ions with one electron over closed shells are derived employing the two-time Green's function method. Numerical results for the correlation corrections to magnetic transition rates in He-like ions are presented. For the first time also the frequency-dependent contribution is calculated, which has to be accounted for preserving gauge invariance. One-loop QED corrections to the magnetic-dipole transition amplitude between the fine-structure levels 2p_{3/2} and 2p_{1/2} are calculated to all orders in \alpha Z. Taking into account consistently relativistic, interelectronic-interaction, and QED corrections to the magnetic-dipole transition amplitude allows for predictions of the lifetimes of the states (1s^2 2s^2 2p)^2P_{3/2} in B-like ions and (1s^2 2s 2p)^3P_2 in Be-like ions with utmost precision. The results of corresponding calculations are compared with experimental data obtained in recent measurements at the Heidelberg EBIT. Finally, for He-like ions with nonzero-spin nuclei the effect of hyperfine quenching on the lifetimes of the 2^3P_{0,2} states is investigated and again compared available experimental data.

The purpose of this thesis is to advance the understanding of strong-field QED processes in short laser pulses. The processes of non-linear one-photon and two-photon Compton scattering are studied, that is the scattering of photons in the interaction of relativistic electrons with ultra-short high-intensity laser pulses. These investigations are done in view of the present and next generation of ultra-high intensity optical lasers which are supposed to achieve unprecedented intensities of the order of 10^24 W/cm^2 and beyond, with pulse lengths in the order of some femtoseconds. The ultra-high laser intensity requires a non-perturbative description of the interaction of charged particles with the laser field to allow for multi-photon interactions, which is beyond the usual perturbative expansion of QED organized in powers of the fine structure constant. This is achieved in strong-field QED by employing the Furry picture and non-perturbative solutions of the Dirac equation in the presence of a background laser field as initial and final state wave functions, as well as the laser dressed Dirac-Volkov propagator. The primary objective is a realistic description of scattering processes with regard to the finite laser pulse duration beyond the common approximation of infinite plane waves, which is made necessary by the ultra-short pulse length of modern high-intensity lasers. Non-linear finite size effects are identified, which are a result of the interplay between the ultra-high intensity and the ultra-short pulse length. In particular, the frequency spectra and azimuthal photon emission spectra are studied emphasizing the differences between pulsed and infinite laser fields. The proper description of the finite temporal duration of the laser pulse leads to a regularization of unphysical infinities (due to the infinite plane-wave description) of the laser-dressed Dirac-Volkov propagator and in the second-order strong-field process of two-photon Compton scattering. An enhancement of the two-photon process is found in strong laser pulses as compared to the corresponding weak-field process in perturbative QED.

Studies of the hyperfine splitting in hydrogen are strongly motivated by the level of accuracy achieved in recent atomic physics experiments, which yield finally model-independent informations about nuclear structure parameters with utmost precision. Considering the current status of the determination of corrections to the hyperfine splitting of the ground state in hydrogen, this thesis provides further improved calculations by taking into account the most recent value for the proton charge radius. Comparing theoretical and experimental data of the hyperfine splitting in hydrogen the proton-size contribution is extracted and a relativistic formula for this contribution is derived in terms of moments of the nuclear charge and magnetization distributions. An iterative scheme for the determination of the Zemach and magnetic radii of the proton is proposed. As a result, the Zemach and magnetic radii are determined and the values are compared with the corresponding ones deduced from data obtained in electron-proton scattering experiments. The extraction of the Zemach radius from a rescaled difference between the hyperfine splitting in hydrogen and in muonium is considered as well. Investigations of forbidden radiative transitions in few-electron ions within ab initio QED provide a most sensitive tool for probing the influence of relativistic electron-correlation and QED corrections to the transition rates. Accordingly, a major part of this thesis is devoted to detailed studies of radiative and interelectronic-interaction effects to the transition probabilities. The renormalized expressions for the corresponding corrections in one- and two-electron ions as well as for ions with one electron over closed shells are derived employing the two-time Green's function method. Numerical results for the correlation corrections to magnetic transition rates in He-like ions are presented. For the first time also the frequency-dependent contribution is calculated, which has to be accounted for preserving gauge invariance. One-loop QED corrections to the magnetic-dipole transition amplitude between the fine-structure levels 2p_{3/2} and 2p_{1/2} are calculated to all orders in \alpha Z. Taking into account consistently relativistic, interelectronic-interaction, and QED corrections to the magnetic-dipole transition amplitude allows for predictions of the lifetimes of the states (1s^2 2s^2 2p)^2P_{3/2} in B-like ions and (1s^2 2s 2p)^3P_2 in Be-like ions with utmost precision. The results of corresponding calculations are compared with experimental data obtained in recent measurements at the Heidelberg EBIT. Finally, for He-like ions with nonzero-spin nuclei the effect of hyperfine quenching on the lifetimes of the 2^3P_{0,2} states is investigated and again compared available experimental data.

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.