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.

The Planck constant is one of the most important constants in nature, as it describes the world governed by quantum mechanics. However, it cannot be derived from other natural constants. We present a model from which it is possible to derive this constant without any free parameters. This is done utilizing the force between two oscillating electric dipoles described by an extension of Weber electrodynamics, based on a gravitational model by Assis. This leads not only to gravitational forces between the particles but also to a newly found Casimir-type attraction. We can use these forces to calculate the maximum point mass of this model which is equal to the Planck mass and derive the quantum of action. The result hints to a connection of quantum effects like the Casimir force and the Planck constant with gravitational ones and the origin of mass itself.

Les transitions de phase près d'un point critique - dites du second ordre - sont un sujet toujours d'actualité en raison des nombreux phénomènes critiques intéressants tels que la force de Casimir critique, les problèmes de confinements ou les phénomènes hors d'équilibre suivant une trempe au point critique. Cette thèse vise à étudier expérimentalement certains phénomènes engendrés près d'un point critique. La thèse est divisée en deux axes : le premier consiste à développer plusieurs systèmes expérimentaux qui permettront de mesurer essentiellement la viscosité, par l'intermédiaire des fluctuations thermiques à l'échelle micrométrique. Le deuxième axe consiste à trouver et caractériser des mélanges binaires présentant une transition de phase du second ordre dans lesquelles on souhaite faire des mesures. Les enjeux de ces systèmes expérimentaux sont d'avoir une régulation en température précise, une sonde de mesure sensible aux fluctuations thermiques et/ou à des forces de l'ordre du pN, et un échantillon fiable et reproductible présentant un point critique accessible expérimentalement. Nous avons ainsi monté à partir d'un microscope à force atomique (AFM) déjà présent au laboratoire, un système de mesure de viscosité à sonde AFM fibrée. Malgré sa faible efficacité en terme de sonde de mesure métrologique, nous avons pu décrire et développer un modèle de couplage de modes de vibration permettant de comprendre la mécanique de microleviers AFM fibrés. J'ai également développé au laboratoire la mesure de microscopie dynamique différentielle qui permet de faire des mesures à sondes multiples contrairement au premier montage. J'ai discuté de la précision de la mesure dans le cadre de notre objectif d'étude des fluctuations critiques. En ce qui concerne l'échantillon de mesure, nous avons étudié plusieurs mélanges binaires que nous avons caractérisés par des méthodes classiques de turbidité et diffusion statique de la lumière. Cette caractérisation nous a permis de connaître les mélanges binaires pour les utiliser dans un troisième système de mesure : billes micrométriques piégées dans des pinces optiques déjà monté au laboratoire. Nous y avons rajouté un système de régulation thermique fait maison pour être exploité avec les contraintes de la pince optique. Ces tests ont fait apparaître un phénomène inattendu d'oscillations de transition de phase induites par laser. Nous avons développé un modèle pour les décrire. Enfin, des expériences préliminaires - toujours avec les pinces optiques dans les mélanges binaires - nous ont permis d'observer qualitativement des effets de l'approche au point critique par des mesures de viscosité et d'interaction type force de Casimir critique. / Phase transitions near a critical point, or second order phase transitions, are still a recent object of studies because of the large amount of interesting critical phenomena as the critical Casimir force, confinements problems or out of equilibrium phenomena following a quench at the critical point. This thesis experimentally studies phenomena near a critical point. This manuscript is divided in two parts : the first one consists in building several experimental set-up which measure viscosity through thermal fluctuation at micrometric scale. The second part consists in finding and characterize binary mixtures which show a second order phase transition. Preliminary results have been done in these samples. One of the principal points of these experimental set-up are a well regulated temperature, a probe sensitive to thermal fluctuation and/or pN forces and a reproducible binary mixture which presents a critical point easy to reach experimentally. We mounted from an Atomic Force Microscope (AFM) already built in the laboratory, a hanging-fiber probe to measure viscosity of liquids. Despite its weak efficiency as a metrologic probe, we described and developed a mode coupling model which let us understand mechanics of hanging-fiber probes. I also developed in the lab the dynamic differential microscopy technique (DDM) which do measurements with several probes. I discussed about the measure precision with in mind the aim of studying critical fluctuations. For the choice of the sample, we studied several binary mixtures. We characterized them by classical methods as turbidity measurements and static light scattering. These characterizations let us learn about binary mixtures in order to use them in a third experimental set-up : beads trapped in an optical tweezers already built in the lab. We added to it a home-made thermal regulation which can be used with the constraints of optical tweezers. These tests showed an unexpected phenomenon of oscillating phase transition induce by laser. We developed a model to describe it. At last, preliminary experiments with optical tweezers in binary mixtures showed qualitative effects of an approach near a critical point on the viscosity and on interactions between beads as critical Casimir force.

L'étude des fluctuations dans les milieux confinés constitue un domaine de recherche très récent, que ce soit du point de vue théorique ou expérimental. Afin d'analyser le rôle du confinement sur les propriétés des fluctuations de densité dans un mélange binaire, nous avons développé un système de mesure d'une grande sensibilité, où l'intensité des fluctuations et leur longueur de corrélation peuvent être amplifiées. L'idée consiste à travailler proche du point critique d'une transition de phase de démixion d'un mélange binaire. En effet, la longueur de corrélation augmente exponentiellement lorsqu'on s'approche de la température Tc du point critique de démixion.Nous avons développé un montage permettant de confiner le mélange entre un échantillon plan et une sphère colloïdale attachée à l'extrémité d'un levier de Microscope à Force Atomique (AFM). D'après les prédictions de Fisher et De Gennes, un effet intéressant émerge lorsque la longueur de corrélation est comparable avec la taille du confinement: les deux surfaces vont soit s'attirer, soit se repousser suivant les préférences d'adsorption des composants du mélange pour chacune des surfaces. On nomme cet effet l'effet Casimir critique, en référence à la force de Casimir électrodynamique qui résulte du confinement des fluctuations quantiques du champ électromagnétique.Durant cette thèse, nous avons mesuré la force de Casimir électrodynamique avec le système de mesure que nous avons développé, d'abord dans une atmosphère d'azote puis dans l'éthanol. Ces mesures prouvent que notre appareil de mesure est assez sensible pour mesurer des forces très faibles de l'ordre de la dizaine de pN. Les forces mesurées sont comparées à la théorie de Lifshitz, où les effets de conductivité finie des surfaces sont considérées. / The study of density fluctuations inside confined liquid systems has received the attention of recent theoretical and experimental papers. In order to analyze the role of confinement on the statistical properties of fluctuations, we developed a highly sensitive system where the intensity of fluctuations, as well as their spatial correlation length can be simply tuned. The idea will be to enhance the role of fluctuations working close to the critical temperature Tc of a second order phase transition in a binary mixture. Indeed, the correlation length dramatically increases when one approaches the critical demixion point.The confinement is obtained by using a sphere-plane geometry with a colloidal particle attached to the cantilever of an Atomic Force Microscope (AFM). When the correlation length is comparable with the distance of confinement, Fisher and De Gennes predicted the existence of an interesting effect: the two surfaces will be submitted to either an attracting or a repelling force, depending on boundary conditions. This effect is called the critical Casimir force in reference to the quantum Casimir force resulting from the confinement of quantum fluctuations of the electromagnetic field.During this thesis, we measured the quantum Casimir force between the sphere and the plate, first in a nitrogen atmosphere and then in ethanol, showing that the developed instrument is sufficiently sensible to measure very weak force, of the same order of magnitude or even weaker than the critical Casimir force. Measurements are compared to Lifshitz theory, taking into account the finite conductivity of surfaces.

The Planck constant is one of the most important constants in nature, as it describes the world governed by quantum mechanics. However, it cannot be derived from other natural constants. We present a model from which it is possible to derive this constant without any free parameters. This is done utilizing the force between two oscillating electric dipoles described by an extension of Weber electrodynamics, based on a gravitational model by Assis. This leads not only to gravitational forces between the particles but also to a newly found Casimir-type attraction. We can use these forces to calculate the maximum point mass of this model which is equal to the Planck mass and derive the quantum of action. The result hints to a connection of quantum effects like the Casimir force and the Planck constant with gravitational ones and the origin of mass itself.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-22T13:46:04Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_FenomenoInterferenciaDensidade.pdf: 534187 bytes, checksum: dd966c47f4b77a6bf4af70f3793ad96d (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-06-10T13:47:54Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_FenomenoInterferenciaDensidade.pdf: 534187 bytes, checksum: dd966c47f4b77a6bf4af70f3793ad96d (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-10T13:47:54Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_FenomenoInterferenciaDensidade.pdf: 534187 bytes, checksum: dd966c47f4b77a6bf4af70f3793ad96d (MD5) Previous issue date: 2009 / O primeiro objetivo do presente trabalho é calcular a força quântica exata que atua sobre as fronteiras de uma cavidade, bem como o comportamento exato da densidade de energia numa cavidade não estática, onde ambas as fronteiras executam movimentos prescritos arbitrários. O modelo considerado é o do campo escalar não massivo em 1 + 1 dimensões, sendo que o campo obedece à condição de Dirichlet em cada uma das fronteiras. Considerando o vácuo como estado inicial do campo, nós mostramos que a densidade de energia em um dado ponto do espaço-tempo pode ser obtida através do traçado de uma sequência de linhas nulas, conectando o valor da densidade de energia nesse ponto a um certo valor conhecido da densidade de energia em um ponto das “zonas estáticas”. O segundo objetivo é mostrar que para movimentos específicos das fronteiras, particularmente para os quais ambas voltam às suas posições iniciais em instantes múltiplos do comprimento inicial da cavidade, o método exato por nós obtido permite encontrar soluções analíticas escritas como uma expansão em série na variável que controla as amplitudes de movimento das fronteiras. Os resultados analíticos por nós obtidos são aplicáveis a uma vasta classe de movimentos, a qual inclui a grande maioria dos casos ressonantes estudados na literatura. O terceiro objetivo do presente trabalho é investigar, através dos métodos de cálculos desenvolvidos aqui, o fenômeno da interferência na energie e na densidade de energia em cavidades com duas fronteiras móveis, obtendo fórmulas genéricas para os termos de interferência respectivos. / We consider a real massless scalar field inside a cavity with two moving mirrors in a two-dimensional spacetime, satisfying Dirichlet boundary condition at the instantaneous position of the boundaries, for arbitrary and relativistic laws of motion. Considering vacuum as the initial field state, we show that the exact value of the the energy density in the cavity can be obtained by tracing back a sequence of null lines, connecting the value of the energy density at the given spacetime point to a certain known value of the energy density at a point in the region where the initial field modes are not affected by the boundaries motion. We obtain formulas for the energy density of the field and the quantum force acting on the boundaries. We also show that for a large class of movements, including resonant cases found in the literature, the exact method proposed here enable us to find analytical solutions written as series in the parameter that controls the amplitudes of the movements. Using these analytical solutions, we investigate the interference phenomena in the energy density and total energy stored in the cavity.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-16T15:58:37Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_CriacaoFotonsEfeito.pdf: 427545 bytes, checksum: 5927bc0accc3c6454ca681c479749113 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-06-13T13:04:46Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_CriacaoFotonsEfeito.pdf: 427545 bytes, checksum: 5927bc0accc3c6454ca681c479749113 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-13T13:04:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_CriacaoFotonsEfeito.pdf: 427545 bytes, checksum: 5927bc0accc3c6454ca681c479749113 (MD5) Previous issue date: 2005 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Consideramos um campo escalar não massivo num espaço-tempo bi-dimensional dentro de uma cavidade oscilante com condições de contorno mistas. Discutindo do fenômeno da criação de partículas, consideramos uma situação de ressonância paramétrica na qual a freqüência de oscilação da fronteira é duas vezes a freqüência do primeiro modo da cavidade estática. Por conveniência, supomos que a fronteira que está em repouso impõe ao campo a condição de Neumann, enquanto que a outra, em movimento não relativístico, impõe ao campo a condição de Dirichlet. Seguindo o procedimento desenvolvido por Dodonov e Klimov (Phys. Rev. A, 56, 2664 (1996)), calculamos o número de partículas criadas, a taxa de geração e a energia na cavidade. Comparamos nossos resultados aos encontrados na literatura para o caso Dirichlet-Dirichlet. / We consider a massless scalar field in a two-dimensional space-time inside an oscillating cavity with mixed boundary conditions. In order to discuss particle creation phenomenum, we consider the situation of parametric resonance in which the oscillating frequency is twice the frequency of the first mode of the static cavity. For convenience, we suppose that one of the boundaries is at rest and imposes Neumann condition to the field, whereas the other is in non-relativistic motion and imposes a Dirichlet condition on the field. Following the procedure developed by Dodonov and Klimov (Phys. Rev. A, 56, 2664 (1996)), we compute the number of created particles, the generation rate and the energy in the cavity. We compare our results with those found in the literature for the Dirichlet-Dirichlet case.

L'électrodynamique quantique en cavité, c'est-à-dire l'étude du couplage lumière-matière en géométries confinées, a permis d'observer, grâce à des cavités de plus en plus performantes, le régime de couplage fort lumière-matière.<br />Dans ce régime, le temps de vie d'un photon est plus long que le temps caractéristique de l'interaction avec la matière ; un seul photon subit donc plusieurs cycles d'absorption et de réémission avant de s'échapper de la cavité.<br />Les premières expériences dans ce régime, effectuées avec des atomes dans des cavités supraconductrices, ont été suivies par des réalisations en matière condensée, utilisant des excitons dans des microcavités planaires, des boites de Cooper couplées à des résonateurs unidimensionnels ou bien des transitions intersousbandes dans des puits quantiques dopés, couplées à un mode de microcavité. Le couplage fort dans ce dernier système donne naissance à des excitations mixtes, moitié lumière et moitié matière, nommées polaritons intersousbandes.<br />Ma thèse s'attache à plusieurs aspects de la physique de ces excitations, qui se caractérisent par la force extrême du couplage, qui a poussé les chercheurs à introduire le terme couplage ultra-fort.<br /><br />Dans la première partie de ma thèse, après avoir donné un aperçu général des différents concepts théoriques engagés, j'étudie les conséquences de ce couplage ultra-fort en présence d'une modulation externe appliquée au système. Je montre, en utilisant une théorie de Langevin quantique, qu'une radiation peut être émise à partir du vide, effet qui rappelle de près l'effet Casimir dynamique. L'intensité de cette radiation est assez forte pour pouvoir être mesurée et je reporte ici les résultats de deux expériences préliminaires menées en vue de l'observation d'un tel effet, auxquelles j'ai participé pour la partie théorique.<br /><br />J'étudie ensuite la manière dont le couplage fort lumière-matière peut influencer le transport électronique et les expériences d'électroluminescence. Dans ce but j'ai développé des méthodes analytiques et numériques que j'ai exploitées pour montrer qu'il est possible d'augmenter grandement l'efficacité quantique des LEDs basées sur des transitions intersousbandes. J'ai aussi donné une première preuve d'extension de l'effet Purcell au régime de couplage fort.<br />Enfin, dans ma dernière partie, j'ai développé la théorie du scattering stimulé entre polaritons intersousbandes dû au couplage avec des phonons optiques. Je montre que ce mécanisme peut être exploité afin d'obtenir des lasers sans inversion de population avec un seuil extrêmement bas.

Cette thèse étudie le rôle des forces de surface sur les transitions de mouillage. En particulier, la séquence de deux transitions de mouillage induites par la présence des forces de van der Waals à longue portée a été caractérisée précisément. Les singularités de l'énergie libre de systèmes (hexane / eau salée) ont été déterminées par une mesure directe des angles de contact par interférométrie. De plus, le diagramme de phase de mouillage global a été construit pour le système alcanes / solutions de glucose à l'aide de mesures ellipsométriques. Par aileurs, nous démontrons que la prise en compte des fluctuations de surface peut expliquer la persistence de la transition continue due aux forces à courte portée malgré la présence inévitable des forces à longue portée. Enfin, l'étude du confinement des fluctuations thermiques de volume dans un film de mouillage a été entamée durant cette thèse, il s'agit de l'analogue de l'effet Casimir pour le cas de systèmes critiques.

Ce mémoire présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) actuellement en cours de développement à l'Observatoire de Paris. L'objet de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre un atome et une surface massive. Les interactions recherchées sont du type électrodynamique quantique (effet Casimir-Polder) et gravitationnelle. Le travail présenté ici a consisté à calculer les états des atomes dans le contexte de l'expérience afin de prévoir les signaux et les performances de l'expérience. Ceci a permis l'optimisation du schéma expérimental pour la mesure à la fois de l'effet Casimir-Polder à une précision non encore atteinte ainsi que pour la recherche de déviations à la loi de Newton prédites par les théories d'unification.