Dissertations / Theses on the topic 'Casimir interactions'

Dans cette thèse, après une introduction où nous présentons brièvement la physique des forces de Casimir, nous montrons nos résultats obtenus pendant le doctorat. D'abord, nous montrons notre travail sur les interactions de van der Waals / Casimir-Polder lorsque le système est dans une configuration hors équilibre à cause du mouvement uniformément accéléré des atomes. Nous étudions le système de deux atomes uniformément accélérés dans le vide quantique quand ils sont dans leur état fondamental ou dans un état corrélé (un atome excité et un atome dans son état fondamental). Nous analysons ce système avec un modèle heuristique semi-classique et une méthode plus rigoureuse qui nous avons étendu à partir d'une procédure générale développée dans la littérature. Nous trouvons un changement de la dépendance de l'interaction de la distance en raison de l'accélération. Nous montrons que les forces de Casimir-Polder entre deux atomes uniformément accélérés en mouvement relativiste, qui interagissent avec le champ scalaire, présentent une transition à partir d'un comportement thermique à courtes distances, comme prédit par l'effet Unruh, à un comportement non thermique à longues distances, associé à la rupture de la description inertielle et locale du système. En plus, lorsque le cas d'atomes qui interagissent avec le champ électromagnétique quantique est considéré, on constate que de nouvelles caractéristiques apparaissent dans l'interaction.Ensuite, nous présentons notre travail sur un nouveau couplage opto-mécanique d'un miroir oscillant de façon efficace avec un gaz d'atomes de Rydberg, médié par la force atome-miroir dynamique de Casimir-Polder. Nous constatons que ce couplage peut produire une excitation de résonance atomique de champ proche, qui n'est pas liée à l'excitation des atomes par les quelques photons réels attendus de l'effet Casimir dynamique. Dans des conditions expérimentales accessibles, cette probabilité d'excitation est importante (environ 20 %) et rend possible l'observation de ce nouvel effet Casimir-Polder dynamique. Donc nous proposons une configuration expérimentale réaliste pour réaliser ce système fait d'un gaz d'atomes froids piégés mis en face d'un substrat semi-conducteur, dont les propriétés diélectriques sont modulées dans le temps.Enfin, nous nous concentrons sur nos résultats obtenus pour le calcul de la pression Casimir-Lifshitz entre deux réseaux lamellaires diélectriques différents. Ce système est supposé dans une configuration hors équilibre thermique. En fait, les deux réseaux présentent deux températures différentes et ils sont immergés dans un bain thermique ayant une troisième température. Le calcul de la pression est basé sur une méthode qui exploite les opérateurs de diffusion des réseaux, déduits en utilisant la méthode modale de Fourier. Nous présentons nos résultats numériques caractérisant en détail le comportement de la pression, en faisant varier les trois températures et en modifiant les paramètres géométriques des réseaux. Cette variation des paramètres du système permet de régler la force de répulsive à attractive ou de réduire fortement la pression pour des intervalles de températures. En outre, on montre que la combinaison des effets de non-équilibre et géométriques rend ce système particulièrement intéressant pour l'observation de la force de Casimir répulsive
In this thesis, after an introduction where we briefly present the general context of Casimir physics, we present the results obtained during the PhD. At first, we show our work about the van der Waals/Casimir-Polder interactions between two atoms in an out-of-equilibrium condition due to their uniformly accelerated motion. We study the system of two uniformly accelerated atoms in vacuum space, when they are in their ground-state and when they are in a correlated state (one excited and one ground-state atom). We analyze this system both with an heuristic semiclassical model and with a more rigorous method, based on a separation of radiation reaction and vacuum fluctuations contributions, that we extend starting from a general procedure known in literature. We find a change of the distance-dependence of the interaction due to the acceleration. We show that Casimir-Polder forces between two relativistic uniformly accelerated atoms, interacting with the scalar field, exhibit a transition from the short-distance thermal-like behavior predicted by the Unruh effect to a long-distance nonthermal behavior, associated with the breakdown of a local inertial description of the system. In addition, we obtain new features of the resonance interaction in the case of atoms interacting with the quantum electromagnetic field.Next, we present our work about a new optomechanical coupling of an effectively oscillating mirror with a Rydberg atoms gas, mediated by the dynamical atom-mirror Casimir-Polder force. We find that this coupling may produce a near-field resonant atomic excitation not related to the excitation of atoms by the few real photons expected by dynamical Casimir effect. In accessible experimental conditions, this excitation probability is significant (about 20%) making the observation of this new dynamical Casimir-Polder effect possible. For this reason, we propose a realistic experimental configuration to realize this system made of a cold atom gas trapped in front of a semiconductor substrate, whose dielectric properties are periodically modulated in time.Finally, we focus on our results obtained for the Casimir-Lifshitz pressure between two different dielectric lamellar gratings. This system is assumed to be in an out-of-thermal-equilibrium configuration, i.e. the two gratings have two different temperatures and they are immersed in a thermal bath having a third temperature. The computation of the pressure is based on a method exploiting the scattering operators of the bodies, deduced using the Fourier modal method. In our numerical results we characterize in detail the behavior of the pressure, both by varying the three temperatures and by changing the geometrical parameters of the gratings. In this way we show that it is possible to tune the force from attractive to repulsive or to strongly reduce the pressure for large ranges of temperatures. Moreover, we stress that the interplay between nonequilibrium effects and geometrical periodicity make this system particularly interesting for the observation of the repulsive Casimir force

Scientific development requires profound understandings of micromechanical and nanomechanical systems (MEMS/NEMS) due to their applications not only in the technological world, but also for scientific understanding. At the micro- or nano-scale, when two objects are brought close together, the existence of stiction or adhesion is inevitable and plays an important role in the behavior operation of these systems. Such effects are due to surface dispersion forces, such as the van der Waals or Casimir interactions. The scientific understanding of these forces is particularly important for low-dimensional materials. In addition, the discovery of materials, such as graphitic systems has provided opportunities for new classes of devices and challenging fundermental problems. Therefore, invesigations of the van der Waals or Caismir forces in graphene-based systems, in particular, and the solution generating non-touching systems are needed. In this study, the Casimir force involving 2D graphene is investigated under various conditions. The Casimir interaction is usually studied in the framework of the Lifshitz theory. According to this theory, it is essential to know the frequency-dependent reflection coefficients of materials. Here, it is found that the graphene reflection coefficients strongly depend on the optical conductivity of graphene, which is described by the Kubo formalism. When objects are placed in vacuum, the Casimir force is attractive and leads to adhesion on the surface. We find that the Casimir repulsion can be obtained by replacing vacuum with a suitable liquid. Our studies show that bromobenzene is the liquid providing this effect. We also find that this long-range force is temperature dependent and graphene/bromobenzene/metal substrate configuration can be used to demonstrate merely thermal Casimir interaction at room temperature and micrometer distances. These findings would provide good guidance and predictions for practical studies.

Lipid membranes are really complex media that undergo thermal activated fluctu-ations that give rise to Casimir-like interactions between objects embedded in it. In this thesis we focus on theses Casimir like interactions and on the interactions between objects embedded in elastic media. In the first part , the Casimir-like interaction between two parallel rods of length L adsorbed on a fluid membrane is calculated analytically at short separations d< L. The rods are modeled as constraints imposed on the membrane curvature along a straight line. This allows us to define four types of rods, according to whether the membrane can twist along the rod and/or curve across it. For stiff constraints, all the interaction energies between the different types of rods are attractive and proportional to L/d. Two of the four types of rods are then equivalent, which yields six universal Casimir amplitudes. Repulsion can occur between different rods for soft constraints. Numerical results obtained for all ranges of d/L show that the attraction potential reaches kBT for d/L 0. 2. At separations smaller Than dc≃L(L//p)1/3, where lp is the rod persistence length, two rods with fixed ends will bend toward each other and finally corne into contact because of the Casimir interaction. In a second time we adress the problem of calculating Casimir interactions be¬tween arbitrary bodies by discretizing their boundaries into pointlike constraints viewed as pointlike inclusions. We study how universality emerge from this dis-cretization. Introducing an ad hoc cutoff and a regularization for the field's corre-lation function, we find that universality arises when i) the separation S between the pointlike inclusions is less than the cutoff A-1, and ii) the bodies are much larger than the cutoff. A sharp transition from discrete to continuous boundaries occurs at S = ir/A in the "thermodynamic limit" for rods at large separation. We illustrate our findings in two dimensions with rodlike bodies and more complex bodies shaped as moons. Finally in a one-dimensional elastic medium with finite correlation length and purely relaxational dynamics, we calculate the time dependence of the elastic force F(t) exchanged between two active inclusions that trigger an elastic deformation at t = 0. We consider (i) linear inclusions coupled to the field with a finite force, and (ii) non-linear inclusions imposing a finite deformation. In the non-linear case, the force exhibits a transient maximum much larger than the equilibrium force, diverging as rs-, L2 at separation L shorter than the field's correlation length. Both the mean-field and the Casimir component of the interaction are calculated. We also discuss the typical appearance time and equilibration time of the force, comparing the linear and the non-linear cases. The existence of a high transient force in the non-linear case should be a generic feature of elastically mediated interactions
Les membranes lipidiques sont des milieux complexes qui sont soumis à des fluc-tuations thermiques donnant naissance à des interactions du type Casimir quand des objets y sont inclus. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux interactions du type Casimir et aux interactions élastiques qui apparaissent entre objets inclus dans un milieu élastique. Dans la première partie, nous nous intéressons à deux bâtons parallèles de longueur L adsorbés sur une membrane fluide et calculons analytiquement l'interaction du type Casimir pour de faibles distances d< L. Les deux bâtons sont modélisés comme des contraintes, le long d'une ligne droite, imposées à la membrane et en particulier à sa courbure. Ceci nous permet de définir quatre type de bâton, selon que la membrane peut se tordre ou non le long ou/et perpendiculairement aux bâtons. Pour des contraintes rigides, toutes les énergies d'interactions sont attractives et proportionnelles à L/d. Deux des quatre type de bâtons définis sont équivalents ce qui conduit à six amplitudes différentes mais universelles pour les interactions de Casimir. Des conditions de répulsions peuvent être réunies pour des bâtons différents avec des contraintes molles. Des résultats numériques obtenus pour une large gamme de ratio d/L montrent que le potentiel attractif peut atteindre kBT pour d/L≃0. 2. Enfin pour des distances plus petites que dc≃ L(L//p)1/3, où lp est la longueur de persistance, deux bâtons aux extrémités fixées se courberont jusqu'à entrer en contact du fait de l'interaction de Casimir. Dans un second temps nous considérons le problème du calcul de l'interaction de Casimir pour des objets de forme arbitraire en discrétisant les contours avec des contraintes ponctuelles vue comme des inclusions ponctuelles. Nous étudions comment l'universalité émerge de cette discrétisation. Ayant introduit un cutoff et une régularisation pour le calcul de la fonction de corrélation du champ de la membrane, nous trouvons que l'universalité apparaît si (i) la distance entre les inclusions ponctuelles est inférieure au cutoff A-1 et (ii) si les objets considérés sont bien plus grands que le cutoff. Une transition brutale du régime de condition de bord discret au régime continu intervient pour δ =π/Λ dans la limite thermodynamique pour des bâtons à grande distance. Nous illustrons ces propriétés à deux dimensions pour des objets du type bâton et des objets de forme plus complexe comme des lunes. Enfin, dans un milieu élastique unidimentionnel avec une longueur de corrélation finie, ie loin des conditions critiques, et dont la dynamique suit uniquement une dynamique de relaxation, nous calculons la dépendance temporelle de la force élastique F(t) échangée par deux inclusions actives qui imposent une déformation élastique au milieu. Cette déformation est déclenchée à l'instant t = 0 par les inclusions. Nous considérons (i) des inclusions linéaires qui couplent les champs à une force finie puis (ii) des inclusions non linéaires qui impose une déformation finie au milieu. Dans le cas non linéaire, la force présente un maximum transitoire, bien plus élevé que la force à l'équilibre, et qui diverge comme ~ L2 pour des distance L inférieures à la longueur de corrélation du champs considéré. Nous calculons à la fois l'interaction de champs moyen et l'interaction de Casimir. Nous discutons également les temps caractéristiques d'établissement et de mise à l'équilibre des forces en comparant le cas linéaire et le cas non linéaire. Il est important de noter que l'existence d'un maximum transitoire dans l'établissement de la force non linéaire semble être une caractéristique des interactions élastiques médiées

L'interaction entre deux objets est, le plus souvent, transportée par leur environne- ment. Les caractéristiques de ce dernier permettent de calculer les propriétés de l'interaction ressentie entre ces objets. Cette thèse présente ce calcul dans deux situations différentes. La première partie concerne l'effet d'un environnement fluctuant sur le mouvement d'un seul objet. La force moyenne est calculée pour un objet avançant à vitesse constante et couplé linéairement puis quadratiquement à son environnement. Dans ce dernier cas le frottement ressenti est entièrement dû aux fluctuations : il s'agit d'un frottement de Casimir. Le coefficient de diffusion est calculé pour un couplage linéaire faible, généralisant au passage des résultats connus pour la diffusion dans un potentiel gelé. Ces calculs sont faits pour une classe très générale d'environnements, et peuvent être appliqués à la diffusion de protéines dans des membranes lipidiques fluctuantes. La deuxième partie traite de systèmes contenant des ions entre deux plaques chargées. Le premier système étudié est un modèle unidimensionnel de liquide ionique sur réseau pour lequel la pression et la densité de charge peuvent être calculées exactement. Le deuxième système est composé d'ions polarisables ; les effets de la polarisabilité sur la pression et la densité de charge y sont étudiés dans deux limites distinctes.

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Physics, 2011.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (p. 161-163).
For most of its 60 year history, the Casimir effect was an obscure theoretical backwater, but technological advances over the past decade have promoted this curious manifestation of quantum and thermal fluctuations to a position of central importance in modern experimental physics. Dramatic progress in the measurement of Casimir forces since 1997 has created a demand for theoretical tools that can predict Casimir interactions in realistic experimental geometries and in materials with realistic frequency-dependent electrical properties. This work presents a new paradigm for efficient numerical computation of Casimir interactions. Our new technique, which we term the fluctuating-surface-current (FSC) approach to computational Casimir physics, borrows ideas from the boundary-element method of computational electromagnetism to express Casimir energies, forces, and torques between bodies of arbitrary shapes and materials in terms of interactions among effective electric and magnetic surface currents flowing on the surfaces of the objects. We demonstrate that the master equations of the FSC approach arise as logical consequences of either of two seemingly disparate Casimir paradigms-the stress-tensor approach and the path-integral (or scattering) approach-and this work thus achieves an unexpected unification of these two otherwise quite distinct theoretical frameworks. But a theoretical technique is only as relevant as its practical implementations are useful, and for this reason we present three distinct numerical implementations of the FSC formulae, each of which poses a series of unique technical challenges. Finally, using our new theoretical paradigm and our practical implementations of it, we obtain new predictions of Casimir interactions in a number of experimentally relevant geometric and material configurations that would be difficult or impossible to treat with any other existing Casimir method.
by M. T. Homer Reid.
Ph.D.

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.

Dans cette thèse on discute l'influence des plasmons de surfaces sur l'effet Casimir entre deux miroirs métalliques plans et parallèles placés à une distance arbitraire. En utilisant le model plasma pour décrire la réponse optique du métal, on exprime l'énergie de Casimir comme une somme des contributions associées aux modes évanescents relatifs aux plasmons de surface et aux modes propagatifs de la cavité. Contrairement à une ce qu'on pouvait attendre, la contribution des modes plasmoniques est essentielle à toute distance afin d'assurer le correct résultat pour l'énergie de Casimir. Un des deux modes plasmoniques génère une contribution répulsive qui compense la contribution attractive provenant des modes propagatifs de la cavité, alors que les deux contributions, prises séparément, sont beaucoup plus importantes que la valeur réelle pour l'énergie de Casimir. Cela suggère qu'il est possible d'ajuster le signe de la force de Casimir en manipulant les plasmons de surface.

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

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

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

Nous décrivons dans cette thèse des mesures spectroscopiques de réflexion sélective qui mettent en évidence les effets thermiques de l'interaction Casimir-Polder entre atome et surface. En régime de champ proche, cette interaction est gouvernée par un potentiel qui décroit avec le cube de la distance entre l'atome et la surface (régime van der Waals -vdW-de type dipôle-dipôle). Nous nous intéressons notamment aux niveaux excités du césium Cs (7P₁/₂) et Cs (7P₃/₂), qui possèdent un couplage dipolaire avec Cs (6D) à, respectivement, 12,15 µm et ~15 µm, interagissant avec une surface de saphir thermiquement émissive dont les modes émetteurs sont situés autour de 12,2 µm. Ainsi, ces niveaux respectifs niveaux sont sensibles à une interaction vdW résonante, ou non-résonante, que nous comparons expérimentalement Le résultat le plus important de cette thèse est l'observation expérimentale de la différence de comportement du potentiel vdW en fonction de la température de fenêtre (150-800 °C), pour les niveaux Cs(7P₁/₂) et Cs (7P₃/₂). Pour le niveau Cs (7P₁/₂) le potentiel vdW augment en fonction de la température, tandis que pour le niveau une légère décroissance est observée. Des expériences de spectroscopie de réflexion sélective sondant le niveau Cs (6P₁/₂), interagissant avec une surface de saphir chaude, ont aussi été réalisées, qui confirment pour ce niveau l'absence d'effet de température. Les prédictions théoriques sont raffinées par l'évaluation de la constante diélectrique du saphir en fonction de la température, à partir de données nouvelles d'émissivité fournies par le groupe CEMHTI à Orléans. Enfin, utilisant la fluorescence rétrodiffuse comme diagnostic pour la cellule chaude de Cs lorsque l'excitation était faite sur les niveaux Cs (6P ₁/₂) et Cs (7P ₁/₂), nous avons interprété de façon plus consistante que les propositions précédentes de la littérature, des structures sub-Doppler observées dans l'excitation de la fluorescence au voisinage de la fenêtre
In this thesis we describe measurements of selective reflection spectroscopy that highlight the thermal effects of the Casimir-Polder interaction between atom and surface. In the near field regime, this interaction is governed by a potential decreasing with the cube of the distance between the atom and the surface (van der Waals -vdW- regime of dipoledipole type) We are particularly interested in the excited levels of cesium, we are particularly interested in the excited levels of cesium Cs (7P₁/₂) and Cs (7P₃/₂), which have a dipole coupling to respectively Cs (6D) at 12,15 µm and ~15 µm interacting with a thermally emissive sapphire surface. Sapphire emitting modes are around 12,2 µm, and, thus, these Cs levels are sensitive to a resonant, or non-resonant, vdW interaction. We compare experimentally these levels. The most important result of this thesis is the experimental observation of the difference in behavior of the vdW potential as a function of the window temperature (150 - 800 °C), for the Cs (7P₁/₂) and Cs (7P₃/₂) levels. For the Cs (7P₁/₂) level the vdW potential increases as a function of temperature, while for the Cs (7P₃/₂) level a slight decrease is observed. Selective reflection spectroscopy experiments, probing the Cs (6P₁/₂) level interacting with a hot sapphire surface, were also carried out, which confirm for this level the absence of a temperature effect. The theoretical predictions are refined by the evaluation of the dielectric constant of sapphire as a function of temperature, from new emissivity data provided by the CEMHTI's group, in Orléans. Finally, we use backscattered fluorescence as a diagnosis for the Cs hot cell when exciting Cs (6P ₁/₂) and Cs (7P ₁/₂) levels. We have interpreted, in a manner more consistent than previous literature, sub-Doppler structures observed in the excitation of the fluorescence near the window

All substances above zero kelvin temperature emit fluctuating electromagnetic waves due to the random motions of charge carriers. Controlling the spectral and directional radiative properties of surfaces has wide applications in energy harvesting and thermal management. Artificial metamaterials have attracted much attention in the last decade due to their unprecedented optical and thermal properties beyond those existing in nature. This dissertation aims at tailoring radiative properties at infrared regime and enhancing the near-field radiative heat transfer by employing metamaterials. A comprehensive study is performed to investigate the extraordinary transmission, negative refraction, and tunable perfect absorption of infrared light. A polarizer is designed with an extremely high extinction ratio based on the extraordinary transmission through perforated metallic films. The extraordinary transmission of metallic gratings can be enhanced and tuned if a single layer of graphene is covered on top. Metallic metamaterials are not the unique candidate supporting exotic optical properties. Thin films of doped silicon nanowires can support negative refraction of infrared light due to the presence of hyperbolic dispersion. Long doped-silicon nanowires are found to exhibit broadband tunable perfect absorption. Besides the unique far-field properties, near-field radiative heat transfer can be mediated by metamaterials. Bringing objects with different temperatures close can enhance the radiative heat flux by orders of magnitude beyond the limit set by the Stefan-Boltzmann law. Metamaterials provide ways to make the energy transport more efficient. Very high radiative heat fluxes are shown based on carbon nanotubes, nanowires, and nanoholes using effective medium theory (EMT). The quantitative application condition of EMT is presented for metallodielectric metamaterials. Exact formulations including the scattering theory and Green’s function method are employed to investigate one- and two-dimensional gratings as well as metasurfaces when the period is not sufficiently small. New routes for enhancing near-field radiative energy transport are opened based on proposed hybridization of graphene plasmons with hyperbolic modes, hybridization of graphene plasmons with surface phonon modes, or hyperbolic graphene plasmons with open surface plasmon dispersion relation. Noncontact solid-state refrigeration is theoretically demonstrated to be feasible based on near-field thermal radiation. In addition, the investigation of near-field momentum exchange (Casimir force) between metamaterials is also conducted. Simultaneous enhancement of the near-field energy transport and suppress of the momentum exchange is theoretically achieved. A design based on repulsive Casimir force is proposed to achieve tunable stable levitation. The dissertation helps to understand the fundamental radiative energy transport and momentum exchange of metamaterials, and has significant impacts on practical applications such as design of nanoscale thermal and optical devices, local thermal management, thermal imaging beyond the diffraction limit, and thermophotovoltaic energy harvesting.

Some of the most interesting phenomena that arise from the developments of the modern physics are surely vacuum fluctuations. They appear in different branches of physics, such as Quantum Field Theory, Cosmology, Condensed Matter Physics, Atomic and Molecular Physics, and also in Mathematical Physics. One of the most important of these vacuum fluctuations, sometimes called "zero-point energy", as well as one of the easiest quantum effect to detect, is the so-called Casimir effect. The purposes of this thesis are: - To propose a simple retarded approach for dynamical Casimir effect, thus a description of this vacuum effect when we have moving boundaries. - To describe the behaviour of the force acting on a boundary, due to its self-interaction with the vacuum.

Depuis plusieurs décennies un intérêt est né pour combiner deux systèmes quantiques pour former unsystème hybride quantique (SHQ) aux qualités qu’il serait impossible d’atteindre avec un seul des deuxsous-constituants. Parmi les systèmes quantiques, les atomes froids se distinguent par leur fort découplagede l’environnement, permettant un contrôle précis de leurs propriétés intrinsèques. En outre, les simulateursquantiques réalisés en piégeant des atomes froids dans des réseaux optiques présentent des propriétéscontrôlables (échelle d’énergie, géométrie,...) qui permettent d’étudier de nouveaux régimes intéressants enphysique de la matière condensée. Dans cette quête de phases quantiques exotiques (e.g., antiferromagnétisme),la réduction de l’entropie thermique est un défi crucial. Le prix à payer pour atteindre de si faiblestempérature et entropie est un long temps de thermalisation qui limite la réalisation expérimentale. La réductionde la période du réseau est une solution prometteuse pour augmenter la dynamique du système.Les SHQs avec des atomes froids offrent de riches perspectives mais requiert d’interfacer des systèmes quantiquesdans des états différents (solide/gaz) à des distances très proches, ce qui reste un défi expérimental.Le projet AUFRONS, dans lequel s’inscrit cette thèse, vise à refroidir un gaz d’atomes froids jusqu’aurégime de dégénérescence quantique puis de transporter et piéger ce nuage en champ proche d’une nanostructure.L’idée est d’obtenir un gaz d’atomes froids piégé dans un réseau bidimensionnel aux dimensionssublongueur d’onde, à quelques dizaines de nm de la structure. Un des objectifs est d’étudier les interactionsau sein du réseau mais également le couplage des atomes avec les modes de surface.Le travail réalisé durant cette thèse se décompose en une partie expérimentale et une partie théorique.Dans la première nous présentons le refroidissement d’atomes de 87Rb jusqu’au régime de dégénérescencequantique. La seconde partie est consacrée aux simulations théoriques d’une nouvelle méthode que nousavons implémentée pour piéger et manipuler des atomes froids à moins de 100 nm d’une nanostructure.Cette méthode, qui tire profit de la résonance plasmonique et des forces du vide (effet Casimir-Polder),permet de créer des potentiels sublongueur d’onde aux paramètres contrôlables. Nous détaillons ainsi lescalculs des forces optiques et des forces du vide que nous appliquons au cas d’un atome de 87Rb en champproche d’une nanostructure 1D
An interest for hybrid quantum systems (HSQs) has been growing up for the last decades. This object combines two quantum systems in order to take advantage of both systems’ qualities, not available withonly one. Among these quantum systems, ultracold atoms distinguish themselves by their strong decoupling from environment which enables an excellent control of their intrinsic properties. Optical lattice quantum simulators with tunable properties (energy scale, geometry,...) allows one to investigate new regimes incondensed matter physics. In this quest for exotic quantum phases (e.g., antiferromagnetism), the reduction of thermal entropy is a crucial challenge. The price to pay for such low temperature and entropy is a longthermalization time that will ultimately limit the experimental realization. Miniaturization of lattice spacingis a promising solution to speed up the dynamics. Engineering cold atom hybrids offers promising perspectives but requires us to interface quantum systems in different states of matter at very short distances, which still remains an experimental challenge.This thesis is part of the AUFRONS project, which aims at cooling down an atomic gas until the quantum degeneracy regime then transport and trap this cloud in the near field of a nanostructure. The idea is to trapcold atoms in a two-dimensional subwavelength lattice, at a few tenth of nm away from the surface. One goal is to study atom-atom interactions within the lattice but also atom-surface modes coupling.The work realized during this thesis splits into an experimental part and a theoretical part. In the firstone, we present the cooling of 87Rb atoms until the quantum degeneracy regime. The second part is dedicated to theoretical simulations of a new trapping method we have implemented to trap and manipulate cold atoms below 100 nm from structures. This method takes advantage of plasmonic resonance and vacuum forces (Casimir-Polder effect). It allows one to create subwavelength potentials with controllable parameters.We detail the calculations of optical and vacuum forces to apply them to an atom of 87Rb in the vicinity of a 1D nanostructure

The employment of persons with criminal records has become an increasingly important issue in the Western world. Literature on Canadian hiring practices in relation to persons with criminal records, however, is severely lacking. This thesis aims to make a significant contribution to the field of criminology by investigating how employers evaluate the employability of persons with criminal records, as well as their attitudes and perceptions towards this population. Through eight open-ended and low-structured interviews with owners and/or hiring managers in the city of Ottawa and using the theoretical framework of H. Blumer’s (1969) symbolic interactionism (SI), E. Goffman’s (1963) stigma, and J. Braithwaite’s (1989) reintegrative shaming for analysis, this thesis attempts to gain insight into the barriers and challenges of professional integration for persons with criminal records. This study ultimately revealed that: (1) criminal record verifications were seldom used among employers to check for past convictions; (2) employers were willing to hire persons with criminal records (under specific conditions); and that (3) employability was based primarily on whether the candidate in question had the skillset required for the position, making the criminal record a secondary consideration. Contrary to popular belief, the results also suggest that while employers may be socially aware of this stigma, not all engage in stigmatizing and/or shaming behaviour towards persons with criminal records during the hiring process. Further, it is often the case that when making decisions, employers must decide between catering to the needs of their business or hiring a prospective candidate despite their criminal record. This study opens new avenues of inquiry concerning persons with criminal records and professional reintegration while proposing future directions for research. RÉSUME La réinsertion professionnelle des personnes judiciarisées est un sujet qui a acquis une grande importance dans le monde occidental. Toutefois, la littérature détaillant les pratiques d’embauche des employeurs Canadiens est limitée. Cette thèse vise donc à contribuer au champ de connaissance sur le sujet. Elle a pour objectif d’analyser comment les employeurs évaluent l’employabilité des personnes avec un casier judiciaire, leurs attitudes ainsi que leurs perceptions de cette population. Sur la base de huit entretiens ouverts et non-structurés avec des propriétaires et/ou responsables du recrutement dans la ville d’Ottawa et en utilisant le cadre théorique de l’interactionnisme symbolique d’H. Blumer (1968), la théorie du stigmate d’E. Goffman (1963) ainsi que celle du reintegrative shaming de J. Braithwaite (1989), cette thèse aspire à une meilleure compréhension des obstacles dans la réinsertion professionnelle des personnes avec un casier judiciaire. Cette étude révèle que (1) la fréquence des vérifications des casiers judiciaire est rare, (2) que les employeurs désirent embaucher les personnes judiciarisées (mais sous certaines conditions) et (3) que l’employabilité est basée principalement sur les compétences requises pour le poste. Le casier judiciaire devient donc une considération secondaire. Ces résultats suggèrent que même si les employeurs sont conscients du stigmate, un comportement stigmatisant or humiliant envers les personnes avec un casier judiciaire n’est pas la norme lors du processus d’embauche. Lors de la décision finale, le dilemme des employeurs porte davantage sur les besoins de leur entreprise versus ceux du candidat que sur le casier judiciaire de ce dernier.

Les MEMS et NEMS (Micro et Nano ElectroMechanical Systems) connaissent un développement important notamment dans le cadre de la Nanomécanique. Le bon fonctionnement de ces MEMS/NEMS est soumis au contrôle des interactions de surfaces séparées par des distances de l'ordre de 100 nm à 1 Μm. A cette échelle, les forces dominantes peuvent être de nature variée (Van der Waals, Casimir, électrostatique, magnétique,...). Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale par AFM des interactions électrostatiques et de Van der Waals/Casimir entre une microsphère et une surface d'or. Une attention particulière a été apportée à la préparation et à la caractérisation des sondes (microsphère collée sur un microlevier). Ensuite, à partir de l'analyse du bruit et de la sensibilité du système de mesure, nous avons pu montrer notre capacité à mesurer des forces faibles avec une résolution inférieure au piconewton. Par une détection statique, nous avons mesuré précisément des forces capacitives de l'ordre de quelques dizaines de piconewton et pour des distances comprises entre 100 et 500 nm. Nous avons mesuré et quantifié les effets de la déflexion du microlevier sur la détermination de la distance sphère-surface. Par des mesures dynamiques, nous avons étudié le couplage entre un oscillateur (sphère-microlevier) excité mécaniquement ou thermiquement et une surface sous l'effet de la force de Casimir. Enfin, les mesures en mode dynamique, nous ont permis d'aborder l'étude des mécanismes de dissipation associés aux interactions à longue distance. Nous avons ainsi observé la dissipation par couplage électromécanique.