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.

The vacuum of quantum field theory is not empty space but filled with quantum vacuum fluctuations, which give rise to many intriguing effects. The first part of this Thesis addresses cosmic inflation, where the quantum fluctuations of the inflaton field freeze and get amplified in the expanding universe. Afterwards, we turn our attention towards Bose-Einstein condensates, a laboratory system. Since most of our calculations are performed using a mean-field expansion, we will study the accuracy of a finite-range interaction potential onto such an expansion. Exploiting the universality of quantum fluctuations, several aspects of cosmic inflation will be identified in ballistically expanding Bose-Einstein condensates. The effective action technique for calculating the quantum backreaction will be scrutinized. Finally, we consider dynamic quantum phase transitions in the last part of this Thesis. To this end two specific scenarios will be investigated: firstly, the structure formation during the superfluid to Mott-insulator transition in the Bose-Hubbard model; and secondly, the formation of spin domains as a two-dimensional spin-one Bose gas is quenched from the (polar) paramagnetic to the (planar) ferromagnetic phase. During this quench, the symmetry of the ground state is spontaneously broken and vortices (topological defects) form.

The vacuum of quantum field theory is not empty space but filled with quantum vacuum fluctuations, which give rise to many intriguing effects. The first part of this Thesis addresses cosmic inflation, where the quantum fluctuations of the inflaton field freeze and get amplified in the expanding universe. Afterwards, we turn our attention towards Bose-Einstein condensates, a laboratory system. Since most of our calculations are performed using a mean-field expansion, we will study the accuracy of a finite-range interaction potential onto such an expansion. Exploiting the universality of quantum fluctuations, several aspects of cosmic inflation will be identified in ballistically expanding Bose-Einstein condensates. The effective action technique for calculating the quantum backreaction will be scrutinized. Finally, we consider dynamic quantum phase transitions in the last part of this Thesis. To this end two specific scenarios will be investigated: firstly, the structure formation during the superfluid to Mott-insulator transition in the Bose-Hubbard model; and secondly, the formation of spin domains as a two-dimensional spin-one Bose gas is quenched from the (polar) paramagnetic to the (planar) ferromagnetic phase. During this quench, the symmetry of the ground state is spontaneously broken and vortices (topological defects) form.

In dieser Dissertation diskutiere ich theoretische Methoden zur Simulation von Grenzflächen zwischen Metallen und Molekülen auf atomarer Maßstabsebene, die für die Speicherung und Erzeugung "sauberer" Energie von Bedeutung sind, und wende sie an. Wir verwenden die Dichtefunktionaltheorie für das elektronische Subsystem und verschiedene Methoden wie die (quasi-)harmonische Näherung und die Pfadintegral-Molekulardynamik, um die Quanteneigenschaften des nuklearen Subsystems zu berücksichtigen. Wir berechnen den Isotopeneffekt auf die Arbeitsfunktion von Cyclohexan, das an der Rh(111)-Oberfläche adsorbiert wird, ein Effekt, der sich aus der Elektron-Phonon-Kopplung nur dann ergibt, wenn die nuklearen Freiheitsgrade quantenmechanisch behandelt werden. Deuteriertes Cyclohexan C6D12 hat einen größeren Adsorptionsabstand als gewöhnliches Cyclohexan. Pfadintegral-Molekulardynamiksimulationen zeigen auch eine temperaturabhängige Renormierung der elektronischen Zustandsdichte in diesem System. Schließlich befassen wir uns mit Oberflächenreaktionen auf einer geladenen metallischen Oberfläche. Wir stellen unsere Implementierung der Nudged-Elastic-Band-Methode (NEB) im i-PI-Paket vor und diskutieren ihre Leistungsfähigkeit. Anschließend setzen wir die Methode ein, um die Energiebarriere der Wasserspaltungsreaktion auf einer Pd(111)-Oberfläche zu berechnen, die einem elektrischen Feld unterschiedlicher Intensität ausgesetzt ist. Wir zeigen, dass die niedrigste Dissoziationsbarriere auftritt, wenn das Feld eine Stärke erreicht, die eine geometrische Frustration des auf der Oberfläche adsorbierten Wassermoleküls hervorruft, und dass die Nullpunktenergiebeiträge zur Barriere dieser Reaktion über den weiten Bereich der auf das System angelegten elektrischen Feldstärken nahezu konstant bleiben. Wir erklären dies durch eine gegenseitige Aufhebung der Rot- und Blauverschiebungen einzelner Schwingungsmoden zwischen Reaktant und Übergangszustand. / In this thesis, I discuss and apply theoretical methods for simulating interfaces between metals and molecules of relevance to "clean" energy storage and production on an atomistic scale. We use density-functional theory for the electronic subsystem and various methods such as (quasi-)harmonic approximation and path integral molecular dynamics to account for quantum properties of the nuclear subsystem, determining which methods are sufficient to grasp the essential phenomena while remaining computationally affordable. We calculate isotope effect on the work function of cyclohexane adsorbed on Rh(111) surface, an effect that emerges from electron-phonon coupling only when the nuclear degrees of freedom are treated quantum-mechanically. Deuterated cyclohexane C6D12 has larger adsorption distance than ordinary cyclohexane. Path integral molecular dynamics simulations also show a temperature-dependent renormalization of the electronic density of states in this system, induced by both thermal and quantum fluctuations of nuclei. Finally, we address surface reactions on a charged metallic surface. We present our implementation of the nudged elastic band (NEB) method in i-PI package and discuss its performance. We then employ the method to calculate the energy barrier of water splitting reaction on a Pd(111) surface subjected to electric fields of different strengths. We show that the lowest dissociation barrier takes place when the field reaches a strength that induces a geometric frustration of the water molecule adsorbed on the surface, and that the zero-point energy contributions to the barrier of this reaction remain nearly constant across the wide range of electric field strengths applied to the system. We explain this by a mutual cancellation of the red and blue shifts of individual vibrational modes between reactant and transition states.