Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29715

Type: Tese
Title: Dynamical Casimir effects with atoms and spinning nanoparticles
Author(s)/Inventor(s): Matos, Guilherme Costa
Advisor: Maia Neto, Paulo Américo
Co-advisor: Impens, François Michel Claude
Abstract: Motivada por experiências recentes com nanopartículas levitadas e em rotação ultrarrápida, esta tese apresenta novos efeitos na interação de partículas em rotação com o vácuo quântico. A primeira parte da tese estuda o análogo da eletrodinâmica quântica do efeito Sagnac, no qual a rotação de uma partícula neutra nas proximidades de um interferômetro atômico induz uma fase nas ondas de matéria propagantes. A fase resultante é uma fase de Berry geométrica proporcional à velocidade angular da partícula. Uma rotação confinada a uma região do espaço, deixando um traço de não inercialidade em um referencial inercial, sugere uma analogia com o efeito Aharonov-Bohm. Levando em conta as ressonâncias plasmônicas da partícula, a análise revela que a magnitude da fase está próxima do limite de medição dos interferômetros atômicos de última geração. A força exercida sobre um átomo por uma partícula em rotação também é calculada e mostra-se ser análoga à força de Coriolis. A segunda parte da tese examina a emissão de fótons por uma partícula neutra não esférica em rotação. Desde que o eixo de rotação o seja ortogonal ao eixo de simetria da partícula, a interação da partícula como campo produz bandas laterais de frequência para o campo espalhado, levando à emissão de pares de fótons pelo efeito Casimir dinâmico. A taxa de emissão de fótons é obtida para esferóides metálicos e dielétricos e é aumentada quando a frequência de rotação está próxima de uma ressonância plasmônica ou polaritônica. A fim de otimizar a taxa de emissão, a velocidade da ponta da partícula é fixada e a dependência com a geometria é analisada.
Abstract: Motivated by recent experiments with levitated, ultra-fast rotating nanoparticles, this thesis presents new effects in the interaction of spinning particles with the quantum vacuum. The first part of the thesis studies the quantum electrodynamical analog of the Sagnac effect, in which the rotation of a neutral particle in the vicinity of an atom interferometer induces a phase on the propagating matter waves. The resulting phase is a geometric Berry phase proportional to the angular velocity of the particle. A rotation confined to a region of space leaving a trace of non-inertiality in an inertial frame suggests an analogy with the Aharonov-Bohm effect. Taking the particle’s plasmon resonances account, the analysis reveals that the phase magnitude is close to the limit of measurement for current state of the art atom interferometers. The force on an atom by a rotating particle is also calculated, and is shown to be analogous to the Coriolis force. The second part of the thesis deals with the photon emission by a rotating non-spherical neutral particle. Provided that the rotation axis is orthogonal to particle symmetry axis, the interaction of the particle with the field produces frequency sidebands of the scattered field, leading to the emission of dynamical Casimir photon pairs. The photon emission rate is obtained for metallic and dielectric spheroids and is enhanced when the rotation frequency is near a plasmonic or polaritonic resonance. In order to optimize the emission rate, the velocity of the particle’s tip is fixed and the dependence with the particle’s geometry is considered.
Keywords: Efeito Casimir dinâmico
Nanopartículas girantes
Vácuo quântico
Efeito Sagnac
Emissão de fótons
Dynamical Casimir effect
Rotating nanoparticles
Quantum vacuum
Sagnac effect
Photon emission
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Física
Production unit: Instituto de Física
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 18-Dec-2025
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Física

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