TY - THES A1 - Haakh, Harald Richard T1 - Cavity QED with superconductors and its application to the Casimir effect N2 - 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 N2 - 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 KW - Vakuumwechselwirkung KW - Casimir-Effekt KW - Casimir-Polder Wechselwirkung KW - Supraleiter KW - Metall KW - Vacuum interaction KW - Casimir effect KW - Casimir-Polder interaction KW - superconductor KW - Metal Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32564 ER - TY - THES A1 - Haakh, Harald Richard T1 - Fluctuation-mediated interactions of atoms and surfaces on a mesoscopic scale T1 - Fluktuationsinduzierte Wechselwirkungen zwischen Atomen und Oberflächen auf mesoskopischen Skalen N2 - 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. N2 - 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. KW - Resonator Quantenelektrodynamik KW - Atom-Oberflächenwechselwirkung KW - Van der Waals Kräfte KW - Atom-Chips KW - Quantenfluktuationen KW - cavity quantum electrodynamics KW - atom-surface interaction KW - Van der Waals forces KW - atom chips KW - quantum fluctuations Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61819 ER - TY - JOUR A1 - Haakh, Harald Richard A1 - Henkel, Carsten T1 - Magnetic near fields as a probe of charge transport in spatially dispersive conductors JF - The European physical journal : B, Condensed matter and complex systems N2 - We calculate magnetic field fluctuations above a conductor with a nonlocal response (spatial dispersion) and consider a large range of distances. The cross-over from ballistic to diffusive charge transport leads to a reduced noise spectrum at distances below the electronic mean free path, as compared to a local description. We also find that the mean free path provides a lower limit to the correlation (coherence) length of the near field fluctuations. The short-distance behaviour is common to a wide range of materials, including semiconductors and superconductors. Our discussion is aimed at atom chip experiments where spin-flip transitions give access to material properties with mesoscopic spatial resolution. The results also hint at fundamental limits to the coherent operation of miniaturised atom traps and matter-wave interferometers. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1140/epjb/e2011-20567-1 SN - 1434-6028 VL - 85 IS - 1 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Bimonte, Giuseppe A1 - Haakh, Harald Richard A1 - Henkel, Carsten A1 - Intravaia, Francesco T1 - Optical BCS conductivity at imaginary frequencies and dispersion energies of superconductors N2 - We present an efficient expression for the analytic continuation to arbitrary complex frequencies of the complex optical and ac conductivity of a homogeneous superconductor with an arbitrary mean free path. Knowledge of this quantity is fundamental in the calculation of thermodynamic potentials and dispersion energies involving type-I superconducting bodies. When considered for imaginary frequencies, our formula evaluates faster than previous schemes involving Kramers-Kronig transforms. A number of applications illustrate its efficiency: a simplified low-frequency expansion of the conductivity, the electromagnetic bulk self-energy due to longitudinal plasma oscillations, and the Casimir free energy of a superconducting cavity. Y1 - 2010 UR - http://iopscience.iop.org/1751-8121/ U6 - https://doi.org/10.1088/1751-8113/43/14/145304 SN - 1751-8113 ER - TY - JOUR A1 - Haakh, Harald Richard A1 - Intravaia, Francesco A1 - Henkel, Carsten T1 - Temperature dependence of the plasmonic Casimir interaction N2 - We investigate the role of surface plasmons in the electromagnetic Casimir effect at finite temperature, including situations out of global thermal equilibrium. The free energy is calculated analytically and expanded for different regimes of distances and temperatures. Similar to the zero-temperature case, the interaction changes from attraction to repulsion with distance. Thermal effects are shown to be negligible for small plate separations and at room temperature but become dominant and repulsive at large values of these parameters. In configurations out of global thermal equilibrium, we show that the selective excitation of surface plasmons can create a repulsive Casimir force between metal plates. Y1 - 2010 UR - http://pra.aps.org/ U6 - https://doi.org/10.1103/Physreva.82.012507 SN - 1050-2947 ER -