Lehrveranstaltungen im Studienjahr 2021/22

Elektronische Halbleiterbauelemente bestimmen zunehmend unseren Alltag: Mobiltelefone und weitere tragbare Elektronik, LEDs und Solarzellen sind prominente Beispiele hierfür. In der Vorlesung werden die Grundlagen der Kristallherstellung und der weiteren Bearbeitungsschritte zur Herstellung elektronischer Bauelemente diskutiert. Exemplarisch werden ein Verständnis der Funktionsweise einer Solarzelle sowie deren technologische Grenzen und Perspektiven erarbeitet.

Stand: 22.07.2021

Nanophotonik, Biophysik und ultraschnelle Dynamik mit dem Elektronenmikroskop (Prof. Dr. Peter Baum)

Das Elektronenmikroskop ist eines der vielseitigsten und besten Instrumente zur Beobachtung von allerkleinsten Strukturen in hoch komplexen Materialien. Im Unterschied zu Licht haben Elektronen als Materiewellen eine hunderttausendfach kleinere de Broglie-Wellenlänge und bieten daher sub-atomare Auflösung. Elektronen haben außerdem eine Ladung, so dass elektrische und magnetische Felder zur Formung von Strahlen und Bildern verwendet werden können. In dieser Vorlesung behandeln wir die Physik des Elektronenmikroskops (Elektronenerzeugung, Strahlformung, Abbildungsmechanismen, Spektroskopie, Beugung und Phasenrekonstruktion, Transmissions- und Rastermethoden etc.) sowie aktuelle Fragestellungen aus der Biophysik, Nanophotonik und ultraschnellen Dynamik der atomaren und elektronischen Bewegungen anhand von aktuellen wissenschaftlichen Publikationen. Sie sollen gleichberechtigt die physikalischen Grundlagen der Elektronenmikroskopie verstehen, aber auch einen Einblick in diverse und höchst aktuelle Fragestellungen der modernen Forschung gewinnen, die durch Visualisierung von Atomen und Elektronen in Raum und Zeit gelöst werden.

Stand: 21.05.2021

Advanced Solid State Spectroscopy (Prof. Dr. Martina Müller)

Prof. Dr. Martina Müller

Prof. Dr. Angelo Di Bernardo

Photonen ermöglichen faszinierende Einsichten in den elektronischen und magnetischen Aufbau von Materialien. In der Vorlesung werden die Grundlagen von Spektroskopie- und Mikroskopiemethoden im Labor und an Synchrotron-Großforschungsanlagen erklärt. Die Vielfalt an Experimenten wird anhand von Beispielen zu Festkörpern, Dünnschichtsystemen und Nanostrukturen erläutert. Ein Fokus liegt dabei auf dem Verständnis von elektronischen, ferromagnetischen und ferroelektrischen Materialeigenschaften.

Stand: 22.06.2021

Superconductivity: fundamentals and applications (Prof. Dr. Angelo Di Bernardo)

After more than 100 years since its discovery by Heike Kamerlingh Onnes in 1911, superconductivity remains one of the most tantalizing and extensively investigated phenomena in condensed matter physics. This course will review the fundamentals of superconductivity and explain, through the support of research findings from the most recent scientific literature, the main technological applications where superconducting materials have played or can play a major role.
In particular, after reviewing the peculiar properties of superconductors (Meissner effect, superconducting transition, thermodynamic properties etc.), the microscopy Bardeen-Cooper-Schrieffer theory for conventional superconductors and the phenomenological Ginzburg Landau theory will be introduced. The concept of unconventional superconductivity will also be explained along with experimental spectroscopic techniques used to determine the nature of the superconducting gap. The Josephson effect will then be presented along with its applications for superconducting circuits. The major technological applications of superconductors will be finally reviewed including ultrasensitive magnetometers, magnetic levitation (maglev) trains, particle detectors, RF and microwave filters for telecommunications, digital circuits with high energy efficiency and quantum computers.

(Stand: 22. Juli 2021)

Nano (Prof. Dr. Gerd Ganteför)

Prof. Dr. Gerd Ganteför

Interdisziplinäre Vorlesung zum Thema Nanowissenschaften und Nanotechnologie zu den Themen:

Biologie: Lotuseffekt, Zelle als Nanofabrik, DNA als Informationsspeicher, Ribosomen, Viren.

Geschichte: Werkzeuge, Fertigungsgenauigkeit, Industrialisierung, Mikrotechnologie.

Werkzeuge: Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskop, Lithografie.

Computer: Chipherstellung, Physikalischen Grenzen, KI, Quantencomputer.

Nanophysik: Quanteneffekte, Nanopartikel, Quantenpunkte, Nanotubes.

Nanomedizin: Diagnostik, Krebstherapie, Prothesen, Stammzellen, Biointerfaces.

Anwendungen: Beschichtungen, Nanomaterialien, Katalyse, Sensorik.

Visionen: Nanomaschinen, Nanoroboter, Gentechnik.

Stand: 18. Juni 2021

Quantenoptik (Dr. Davide Bossini)

Dr. Davide Bossini

Quantenoptik beschreibt die Vereinigung zwischen der klassischen Optik und der Quantenfeldtheorie. Dieses physikalische Gebiet hat sich seit seinem Frühstadium, als der Schwerpunkt auf Experimenten mit kohärenten Lichtquellen (statische Theorie von Lasern) lag, rasant entwickelt und findet große Beachtung. Derzeit wird die Rolle von gequetschten Zuständen von Licht in Bezug auf die Licht-Materie-Wechselwirkung, vor allem im kohärenten Bereich, erforscht. Diese Phänomene werden selbst anhand von zeitaufgelösten Methoden auf der ultrakurzen Zeitskalen untersucht.

Die Vorlesung behandelt zunächst grundlegende Konzepte wie die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes, Quantenphasen, thermische und kohärente Lichtquellen sowie für die aktuelle Forschung relevante Themen wie Licht-Materie Wechselwirkung, kohärente Zustände, gequetschte Zustände und Atom-Feld-Quantenwechselwirkungen.

Die Vorlesung zielt auf fortgeschrittene Bachelorstudierende und Masterstudierende ab. Kenntnisse der Quantenmechanik sowie Elektromagnetismus sind Voraussetzung, während Grundlagen über die Festkörperphysik von Vorteil sind.

Stand: 14.07.2021

Wahlpflichtvorlesungen Theoretische Physik

Numerische Methoden in der Festkörperphysik (Dr. Levente Rozsa/Prof. Dr. Ulrich Nowak)

Dr. Levente Rozsa/ Prof. Dr. Ulrich Nowak

Numerische Methoden sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Festkörperphysikforschung. Sie werden verwendet, um analytisch unlösbare Probleme zu lösen und sind für die Erstellung und Handhabung großer Online-Datenbanken erforderlich. In dieser Veranstaltung werden ausgewählte numerische Verfahren vom mathematischen Hintergrund bis hin zur physikalischen Anwendungen diskutiert. Zu behandelnde Themen sind Quasiteilchenanregungen (Supraleiter, magnetische Systeme), Symmetrien in der Bandstruktur (nicht-reziproker Transport, topologische Charakterisierung), Phasenübergänge (Feldtheorie, Skalierung, Renormierung) und stochastische Methoden (Monte Carlo, Diffusion, Spindynamik, Wachstumsprozesse).

Stand: 16.06.2021

Allgemeine Relativitätstheorie (apl. Prof. Dr. Rudolf Haussmann)

apl. Prof. Dr. Rudolf Haussmann

Prof. Dr. Oded Zilberberg

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation durch Geometrie gekrümmter Räume. Die Materie bewirkt eine Krümmung der vier-dimensionalen Raumzeit, und letztere wiederum bewirkt die Gravitationskräfte auf die Materie. Nach einer kurzen Einführung in die spezielle Relativitätstheorie wird die Theorie gekrümmter Räume (Riemannsche Geometrie) entwickelt und daraus Einsteins Feldgleichungen der Gravitation hergeleitet. Anschließend werden die wichtigsten Lösungen der Gleichungen untersucht und Anwendungen in der Astrophysik betrachtet. Vorhersagen der Theorie werden für statische Gravitationsfelder berechnet und mit Experimenten verglichen (Periheldrehung des Merkurs, Lichtablenklenkung, Rotverschiebung durch Gravitation, Radarechoverzögerung, Lense-Thirring-Effekt). Weitere Themen der Vorlesung sind Gravitationswellen, Sternmodelle (weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher) und Kosmologie (Urknall, Entstehung der Welt).

Stand: 22.07.2021

Classical and Quantum Parametric Phenomena (Prof. Dr. Oded Zilberberg)

Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende

Parametric phenomena lies at the focus of numerous research fields today. The term `parametric' refers to an (out-of-equilibrium) periodic modulation of a resonator's potential, be it through the change in the tension of a mechanical string, due to waves hitting a ship, a variation in the effective capacitance of an electrical resonator, or an increase of the polarization of an optical medium in response to electromagnetic waves. All of these seemingly disparate examples obey very similar equations, and can be used for various technological applications in their respective frequency domains. At this masters level course, we aim at revealing the physics behind parametric effects in a flipped-classroom workshop. We will perform numerical experiments that mimic the signal expected to be seen in the lab, and develop analytical methods to explain the observed effects. We will start within the classical domain and reveal in the second half of the semester how the various effects manifest also within a quantum mechanical treatment. The course is also open for interested graduate students.

Seminare Experimentalphysik

Klimawandel und Nachhaltigkeit (Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende)

Im Pariser Klimaabkommen haben sich fast 200 Staaten auf eine maximale Temperaturerhöhung von deutlich unter 2°C geeinigt, mit dem Ziel die 1,5° möglichst nicht zu überschreiten. Wir wollen uns in diesem Seminar mit den Folgen des Klimawandels befassen und Szenarien überlegen, wie das Ziel des Pariser Klimaabkommens noch eingehalten werden kann. In dem Seminar wollen wir uns dabei mit folgenden Themen etwas intensiver auseinandersetzen.

Klimawandel, CO₂ und andere Treibhausgase
Kipppunkte im Klimagefüge
Erneuerbare Energien: Möglichkeiten und Limitierungen
Energieeinsparmöglichkeiten

Ziel des Seminars ist es zum einen die möglichen und teilweise dramatischen Auswirkungen der globalen Temperaturerhöhung aus physikalischer Sicht zu betrachten und zum anderen zukunftsweisende Lösungsansätze zu besprechen, die zur konkreten Umsetzung geeignet scheinen. Dabei soll viel Raum einer ausführlichen Diskussion gegeben werden.

Stand: 22.07.2021

Physics back-of-the-envelope: Analyse, Abschätzung und Überschlagsrechnung (Prof. Dr. Peter Baum)

Prof. Dr. Sebastian Goennenwein

Die Physik umfasst eine unglaubliche Spannweite an Größen, und sich darin mittels überschlagmäßiger Rechnungen und Abschätzungen schnell zurechtzufinden, sollte zum Grundhandwerk gehören. In diesem Seminar werden Sie lernen, physikalische Zusammenhänge schnell zu erfassen und Effekte überschlagmäßig zu rechnen, mit oder ohne Bleistift und Papier. Zusammen trainieren wir diese Art der schnellen Rechnungen an Beispielen aus der kompletten Physik, insbesondere solchen, wo verschiedene Teilgebiete überlappen. Sie und die anderen Teilnehmer werden selbst aktiv arbeiten - mit WWW, Taschenrechner, Stift und Papier. Sie werden lernen, Situationen in Natur und Technik mit einfachen physikalischen Konzepten zu "begreifen", aber nicht nur qualitativ, sondern mit realistischen Zahlen auch in ungewöhnlichen Situationen. Hintergrundinformationen und Ausblicke zur jeweiligen Physik erarbeiten wir im Gespräch.

Stand: 21.05.2021

Magnetische Datenspeicherung (Prof. Dr. Sebastian Goennenwein)

PD Dr. habil Alexej Pashkin

Magnetische Datenspeicher spielen in der modernen Informationstechnologie eine wichtige Rolle. In einem magnetischen Speicher wird ein digitales Bit (0 oder 1) üblicherweise in der Orientierung der Magnetisierung (z.B. „nach oben“ oder „nach unten“) in einem kleinen Volumen aus magnetischem Material gespeichert. Viele solcher magnetischen Bits nebeneinander bilden dann den magnetischen Speicher. Der große Vorteil von magnetischen Datenspeichern ist ihre Nicht-Flüchtigkeit: die Daten bleiben in geeigneten Strukturen über Jahre oder Jahrzehnte erhalten, ohne dass dazu Energie zugeführt oder der Speicher aufgefrischt werden müsste. Um allerdings eine kontinuierliche Erhöhung der Speicherdichte zu ermöglichen, sind immer wieder neue Ansätze für das elektrische Auslesen bzw. Schreiben der „magnetischen“ Information notwendig – oder sogar ganz neue Speicher-Konzepte.

Im Seminar wollen wir einerseits die physikalischen Grundlagen der magnetischen Datenspeicherung diskutieren. Dazu gehören neben den Eigenschaften des magnetischen Speichermaterials selbst insbesondere auch verschiedene magneto-elektrische Effekte, die ein schnelles und empfindliches elektrisches Auslesen oder das Schreiben der digitalen Information, d.h. das Ummagnetisieren eines kleinen Volumenelements, ermöglichen. Andererseits wollen wir die Grenzen der heutigen magnetischen Speichertechnologie aufzeigen und neuartige Speicherkonzepte besprechen. Dazu gehören neben dem sog. magnetic random acces memory (MRAM) vor allem dreidimensionale Speicher (magnetic racetrack memory) und topologische Magnete (skyrmion memory).

Magnetic data storage has played and still plays a key role in modern information technology. In a magnetic memory, a digital bit (0 or 1) is stored in the orientation of the magnetization (e.g. "up" or "down") in a small volume of magnetic material. Many such magnetic bits next to one other then represent the magnetic memory. The great advantage of magnetic data storage devices is their non-volatility: in suitable structures, the data are retained for years or even decades without the need for energy supplies or refreshing processes. However, in order to ensure a continuous increase in storage density, new approaches for the electrical readout and writing of "magnetic" information are necessary – or even radically new storage concepts.

In the seminar, we on the one hand will discuss the physical foundations of magnetic data storage technology. In addition to the properties of the magnetic materials themselves, this also includes various magneto-electrical effects that enable a fast and sensitive electrical readout or writing of digital information, i.e. the remagnetization of a small volume element. On the other hand, we want to address the limitations of today's magnetic storage technology and discuss novel storage concepts. In addition to the so-called magnetic random access memory (MRAM), these in particular include three-dimensional memories (magnetic racetrack memory) and topological magnets (skyrmion memory).

Stand: 22.07.2021

Seminare Theoretische Physik

Blockveranstaltungen

Praktische Einführung in die optische Festkörperspektroskopie (PD Dr. habil Alexej Pashkin)

Abstract:

Diese Vorlesung richtet sich an Masterstudenten der Physik, Chemie und Nanowissenschaften mit dem Ziel, ihren Hintergrund und ihre Fähigkeiten in der Festkörper- und Halbleiterphysik zu stärken. Theoretische Konzepte der optischen Antwort werden vorgestellt und es wird diskutiert, welche Art von Informationen mit verschiedenen spektroskopischen Techniken erhalten werden können. Neben konventionellen optischen Spektroskopien werden auch neuartige Methoden vorgestellt, bei denen kohärente Strahlung von Quellen auf Beschleunigerbasis und ultrakurze gepulste Laser verwendet werden. Ein besonderer Schwerpunkt der Vorlesung liegt auf modernen Anwendungsbeispielen für Untersuchungen nanoskopischer Halbleitern, zweidimensionalen Materialien, Hochtemperatur-supraleitern usw. Die Vorlesung umfasst folgende Themen:

•    Elektromagnetische Strahlung und ihre Wechselwirkung mit Festkörpern
•    Lichtquellen und Detektoren
•    Lumineszenz-Spektroskopie
•    Infrarotspektroskopie
•    Raman-Streuung
•    Ultraschnelle zeitaufgelöste Anrege-Abtast-Spektroskopie

Stand: 27.07.2021

Nanoscale Science at Interfaces (Dr. S. Jung Jung)

Dr. Soon Jung Jung

This course is intended give physics and chemistry students of the 5^th and higher semester a broad introduction into experimental measurement techniques and principles applied in front end research of condensed matter and nanophysics. The contents cover chemical and physical nanostructure fabrication methods, high resolution microscopy (electron, optical, scanning probe microscopy), essential experimental techniques (ultrahigh vacuum, low signal processing, cryogenics), and various spectroscopy methods (x-ray, electron). The lecture series is organized as an online block course. Besides providing a solid background, it will focus on the crucial, hands-on-details which will make cutting edge experiments work, details which are usually not taught in text books. The course will be held in English. Interested students should contact us via mail

Stand: 27.05.2021

Sommersemester 2022

Wahlpflichtvorlesungen Experimentalphysik

Nanophotonik, Biophysik und ultraschnelle Dynamik mit dem Elektronenmikroskop (Prof. Dr. Peter Baum)

Das Elektronenmikroskop ist eines der vielseitigsten und besten Instrumente zur Beobachtung von allerkleinsten Strukturen in hoch komplexen Materialien. Im Unterschied zu Licht haben Elektronen als Materiewellen eine hunderttausendfach kleinere de Broglie-Wellenlänge und bieten daher sub-atomare Auflösung. Elektronen haben außerdem eine Ladung, so dass elektrische und magnetische Felder zur Formung von Strahlen und Bildern verwendet werden können. In dieser Vorlesung behandeln wir die Physik des Elektronenmikroskops (Elektronenerzeugung, Strahlformung, Abbildungsmechanismen, Spektroskopie, Beugung und Phasenrekonstruktion, Transmissions- und Rastermethoden etc.) sowie aktuelle Fragestellungen aus der Biophysik, Nanophotonik und ultraschnellen Dynamik der atomaren und elektronischen Bewegungen anhand von aktuellen wissenschaftlichen Publikationen. Sie sollen gleichberechtigt die physikalischen Grundlagen der Elektronenmikroskopie verstehen, aber auch einen Einblick in diverse und höchst aktuelle Fragestellungen der modernen Forschung gewinnen, die durch Visualisierung von Atomen und Elektronen in Raum und Zeit gelöst werden.

Stand: 18.06.2021

Halbleiterphysik (Dr. Davide Bossini)

Dr. Davide Bossini

Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende

Halbleitende Materialien und deren Nanostrukturen bilden die Basis der modernen Festkörper-Elektronik und liefern gleichzeitig viele aktuelle Fragestellungen zu grundlegende Forschungsarbeiten in der Physik kondensierter Materie. Die Vorlesung liefert das Rüstzeug für einen Einstieg in die moderne Halbleiterphysik und deren Anwendungen.

Im ersten Teil der Lehrveranstaltung stehen die physikalischen Materialeigenschaften im Vordergrund: Zunächst werden die Elementaranregungen des elektronischen Systems und des Gitters im perfekten Halbleiterkristall, sowie deren Kopplungen eingeführt. Für die technische Nutzung sind gezielte Verunreinigungen („Dotierung“) mit Fremdatomen entscheidend, die anschließend behandelt werden. Danach stehen die klassischen Themenfelder „elektronischer Transport“ und „optische Eigenschaften“ auf der Agenda. Eine Einführung in die Physik dimensionsreduzierter Halbleiter-Quantenstrukturen rundet die Darstellung der materialwissenschaftlichen Aspekte ab.

Der zweite Abschnitt der Vorlesung bietet aufbauend auf den physikalischen Grundlagen einen Überblick über die Funktionsweise moderner Bauelemente. Es wird eine Reihe von Beispielen besprochen, unter anderem der MOS-Feldeffekt-Transistor und die Halbleiter-Laserdiode.

Voraussetzungen:

Grundlagen der Festkörperphysik
Grundlagen der Quantenmechanik

Einführende Literatur:

P. Y. Yu, M. Cardona: „Fundamentals of Semiconductors“, Springer Verlag
S. M. Sze: „Physics of Semiconductor Devices“, John Wiley & Sons

Stand: 16.11.2021

Die Physik organischer und hybrider Solarzellen (Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende)

Prof. Dr. Clemens Bechinger

In der Vorlesung werden organische, hybride und Perowskitsolarzellen vorgestellt, einschließlich ihrer spezifischen physikalischen Eigenschaften und Herstellungsmethoden. Ein Vergleich zu konventionellen anorganischen Solarzellen wird hergestellt und die Besonderheiten dieser neuartigen Solarzellentechnologien herausgearbeitet.
In der Vorlesung werden folgende Inhalte behandelt:
Einführung in organische Halbleiter und Halbleiterübergänge
Funktionsmechanismen organischer, hybrider und Perowskitsolarzellen
Architekturen organischer und hybrider Solarzellen (rein-organische Solarzellen, Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen, Hybrid-Solarzellen, Perowskit-Solarzellen)
Charakterisierungstechniken

Herstellungsmethoden und Solarzellen-Lebensdauern
Aktuelle Themen aus diesem Forschungsgebiet

Stand: 12.02.2021

Physik der weichen kondensierten Materie (Prof. Dr. Clemens Bechinger)

Kolloidale Suspensionen haben sich erfolgreich als Modellsysteme in der Physik etabliert und erlauben detaillierte Einblicke in komplexe physikalische Vorgänge. Insbesondere in Situationen, wo thermische Fluktuationen und externe Felder eine große Rolle spielen, lassen sich durch die experimentelle Echtzeitbestimmung von Teilchentrajektorien präzise Einblicke in das Verhalten großer Teilchenensembles gewinnen. Die Vorlesung gibt zunächst eine Einführung in die Eigenschaften kolloidaler Systeme und zeigt, wie sich deren statische und dynamische Eigenschaften durch Methoden aus der statistischen Physik quantifizieren lassen. Anschließend werden wir anhand von aktuellen Beispielen (Kristallisation, Glasübergang, stochastische Thermodynamik, kritische Fluktuationen, Reibung ...) zeigen, dass sich mit kolloidalen Suspensionen grundlegende, skalenübergreifende Erkenntnisse aus dem Bereich der Festkörper-, Bio- und der statischen Physik gewinnen lassen. Die Übungen bestehen einerseits aus einer Einführung in MatLab und deren Verwendung für die Berechnung statistischer Größen aus experimentellen Daten. Ferner stellen die Studierenden anhand von Kurzvorträgen spezielle Themen zur Vertiefung vor.

Stand. 21.05.2021

Solid State Spectroscopy (Prof. Dr. Martina Müller)

Prof. Dr. Martina Müller

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

Komplexe Oxide sind allgegenwärtig in unserem technischen Alltag- zum Beispiel in der Nanoelektronik und Informationstechnologie. Mit ihrer enormen Bandbreite und Variantenreichtum an physikalischen Eigenschaften (elektrische, magnetische, optische, thermische, …) stellen komplexe Oxide die Wissenschaft derzeit vor spannende Grundlagenfragen – und bieten zugleich ein enormes Potential für zukünftige technologische Anwendungen.

In dieser Vorlesung werden wir zunächst einen Überblick über die wichtigsten Materialklassen geben, die aktuell in der Nanoelektronik und Informationstechnologie diskutiert werden. Wir werden die elektronischen Eigenschaften dieser komplexen Systeme beleuchten, die z.B. darüber entscheiden, wann Oxide zu starken Magneten werden oder zu Ferroelektrika.

Die Komplexität der Materialsysteme stellen besondere Anforderungen an deren Herstellung und spektro-mikroskopische Charakterisierung, sowie elektronischen Transport. Wir werden Bezüge zur aktuellen Forschung ziehen und ausgewählte methodische Entwicklungen sowie Anwendungen besprechen, z.B. als magnetische, resistive oder ferroelektrische Speicherelemente.

Stand: 25.11.2021

Magnetismus - Von den Grundlagen bis zu Anwendungen (apl. Dr. Prof. Mikhail Fonin)

Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer

Die moderne Datenspeicherung und Sensorik auf der Basis von magnetischen Phänomenen lässt sich aus dem Alltag mittlerweile nicht mehr wegdenken. Durch die rasante Entwicklung sowohl im theoretischen Verständnis, als auch in der experimentellen Herstellung von neuen Materialien und Strukturen konnte in den letzten Jahren z.B. die Speicherdichte in magnetischen Speichermedien exponentiell gesteigert werden. In dieser Vorlesung behandeln wir magnetische Phänomene ausgehend von den Grundlagen bis hin zu relevanten Fragestellungen aus der aktuellen Forschung.

Nach der Diskussion der grundlegenden Magnetismusarten (Dia-, Para-, Ferro-, Antiferro-, Ferrimagnetismus) werden anschließend mikroskopische Modelle für die Kopplung Aus- tauschwechselwirkung entwickelt. Darauf aufbauend sollen die wichtigsten Aspekte wie magnetische Anisotropie, Temperaturabhängigkeiten, Oberflächen- und Grenzflächeneffekte usw. behandelt werden. Ein derzeit hochaktuelles anwendungsorientiertes Forschungsgebiet umfasst die Analyse von spinabhängigen Transportphänomenen und Spinelektronik, bei der die Wechselwirkung zwischen Magnetismus und elektrischem Strom untersucht wird (Riesen- und Tunnel-Magnetowiderstand, Spin-Transfer Effekte, etc.).

Der Stoff der Vorlesung wird in der begleitenden Übung weiter vertieft.

Voraussetzung: Festkörperphysik

Stand: 15.06.2021

Laserphysik und nichtlineare Optik (Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer)

Der Laser stellt das zentrale Werkzeug für die Grundlagenforschung mit optischen Methoden dar und bildet darüber hinaus die Basis der modernen photonischen Technologien. Der erste Teil der Vorlesung hat die Physik dieser besonderen Lichtquelle zum Inhalt. Ein erster Block behandelt die grundlegenden Modelle zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Darauf aufbauend werden an Hand konkreter Beispiele verschiedene Lasertypen und deren Funktionsprinzipien besprochen.

Im zweiten Teil steht das Themenfeld der nichtlinearen Optik im Vordergrund. Es handelt sich hierbei um das nur mit Lasern erreichbare Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung bei hohen Intensitäten. Nach einer Einführung in die Grundprinzipien werden einige Beispiele aus der Vielzahl nichtlinear-optischer Phänomene herausgegriffen, die für Anwendungen besonders wichtig sind.

Es ist geplant, den Stoff der Vorlesung in den Übungen weiter zu vertiefen und in der Praxis greifbar werden zu lassen. Hierzu dienen Kurzvorträge zu ausgewählten Themen und Labordemonstrationen, die jeweils von Studenten unter Anleitung eines Betreuers vorbereitet werden.

Voraussetzungen:

Grundvorlesungen über Elektrodynamik, Optik und Atomphysik
Grundlagen der Quantenmechanik

Literatur:

P. W. Milonni, J. H. Eberly „Lasers” (englisch), Verlag J. Wiley & Sons:
Basis für Vorlesung, vertieft für Laser + Theorie, einführend nichtlineare Optik
F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist „Laser” (deutsch), Teubner Studienbücher:
relativ günstiges Buch zur Laserphysik
A. Yariv „Quantum Electronics“ (englisch), Verlag J. Wiley & Sons:
Grundlagen Theorie + vertieft nichtlineare Optik
A. E. Siegman „Lasers“ (englisch), University Science Books:
umfassendes Buch zur Laserphysik

Stand: 16.11.2021

Elektronischer Transport in Nanostrukturen (Prof. Dr. E. Scheer)

Prof. Dr. Elke Scheer

In dieser Vorlesung werden neuartige Phänomene diskutiert, die im elektronischen Transport durch Nanostrukturen auftreten. Sie beruhen zumeist auf den Welleneigenschaften der Elektronen, Wechselwirkungen zwischen Elektronen und/oder auf der Quantelung der Elementarladung. Dazu gehören Quanteninterferenz-Effekte wie z. B. der Aharonov-Bohm-Effekt oder universelle Leitwertfluktuationen, die Schwache Lokalisierung, die Leitwertquantisierung, Ladungseffekte (z. B. Einzel-Elektronen-Transistor), sowie einige Aspekte der molekularen Elektronik und der Magnetoelektronik. Wir werden auch die zugrundeliegenden Theorien des Quantentransports (Landauer-Büttiker-Formalismus, Orthodoxe Theorie, u. a.) kennenlernen. Die Vorlesung richtet sich an Studierende der Masterstudiengänge Physik und Nanoscience und setzt Kenntnisse in Festkörperphysik voraus. Die begleitenden Übungen beinhalten sowohl Präsenzübungen als auch Laborexperimente.

(Stand: 25. November 2021)

Wahlpflichtvorlesungen Theoretische Physik

Computersimulationen von Vielteilchensystemen (Prof. Dr. Peter Nielaba)

Prof. Dr. Peter Nielaba

Das Universum im Computer
Es wird eine Übersicht über moderne Methoden der theoretischen Physik zur Behandlung von Vielteilchensystemen gegeben. Dabei stehen die Grundlagen und Anwendungen von Computersimulationen im Vordergrund, durch die eine näherungsfreie und numerisch exakte Analyse von komplexen Systemen vom Mikro- zum Makrokosmos ermöglicht wird. Die Vorlesung setzt Kenntnisse aus der Statistischen Physik und Teile der höheren Quantentheorie voraus.
Im Detail werden u. a. folgende Themen besprochen: Monte Carlo, Molekulardynamik, Pfadintegtral Monte Carlo, Car-Parrinello, "finite size scaling", Phasenumwandlungen, zelluläre Automaten, Wachstumsmodelle, Simulationen in der Astrophysik.

Stand: 21.05.2021

Quantencomputing (Prof. Dr. Guido Burkard)

Prof. Dr. Guido Burkard

Die Quantenmechanik hat unser Verständnis der fundamentalen physikalischen Gesetzmäßigkeiten grundlegend revolutioniert und liefert die Erklärung vieler technologisch nutzbarer Systeme und Effekte, wie z. B. Halbleiter und Laser. Trotzdem wird Information in den heutigen Rechenmaschinen im Wesentlichen nach den Gesetzen der klassischen Physik verarbeitet. Quantencomputer sind Rechner, deren Funktionsweise gezielt Quantenphänomene wie Superposition und Verschränkung nutzt. Aufgrund dieser grundlegenden Erweiterung sind Quantencomputer zu Berechnungen fähig, welche klassische Rechner nicht mit praktikablem Aufwand bewältigen können, z. B. die Faktorisierung großer Zahlen, die Suche in großen Datenbanken, sowie die Simulation von Quantensystemen wie Molekülen oder Festkörpern. In dieser Vorlesung werden wir uns mit der Theorie der Quantenrechner befassen, d. h. mit Quantenbits, dem Quantenschaltkreismodell, Quantengattern, sowie Komplexitätstheorie. Wir werden die wichtigsten bekannten Quantenalgorithmen kennenlernen, u. a. den Shor-Algorithmus zur Faktorisierung, den Grover-Algorithmus zur Datenbanksuche, und den Harrow-Hassidim-Lloyd-Algorithmus zur Lösung linearer Gleichungssysteme. Außerdem behandeln wir das Thema Quantensimulation, d. h. Simulation quantenmechanischer Systeme auf einen Quantenrechner. In diesem Zusammenhang werden auch hybride Algorithmen behandelt, welche aus klassischen und quantenmechanischen Teilen zusammengesetzt sind. Zur Realisierung von Quantenrechnern sind Methoden zur Quantenfehlerkorrektur erforderlich, welche wir ebenfalls in dieser Vorlesung einführen. Teilnehmer können selbstständig Quantenalgorithmen auf dem IBM-Q Quantencomputer implementieren.

Stand: 21.05.2021

Seminare Experimentalphysik

Physics back-of-the-envelope: Analyse, Abschätzung und Überschlagsberechnung (Prof. Dr. Peter Baum)

Die Physik umfasst eine unglaubliche Spannweite an Größen, und sich darin mittels überschlagmäßiger Rechnungen und Abschätzungen schnell zurechtzufinden, sollte zum Grundhandwerk gehören. In diesem Seminar werden Sie lernen, physikalische Zusammenhänge schnell zu erfassen und Effekte überschlagmäßig zu rechnen, mit oder ohne Bleistift und Papier. Zusammen trainieren wir diese Art der schnellen Rechnungen an Beispielen aus der kompletten Physik, insbesondere solchen, wo verschiedene Teilgebiete überlappen. Sie und die anderen Teilnehmer werden selbst aktiv arbeiten - mit WWW, Taschenrechner, Stift und Papier. Sie werden lernen, Situationen in Natur und Technik mit einfachen physikalischen Konzepten zu "begreifen", aber nicht nur qualitativ, sondern mit realistischen Zahlen auch in ungewöhnlichen Situationen. Hintergrundinformationen und Ausblicke zur jeweiligen Physik erarbeiten wir im Gespräch.

Stand:18.06.2021

Neutronenstreuung zur Untersuchung von harter und weicher kondensierter Materie (PD Dr. Urs Gasser)

Privatdozent Dr. Urs Gasser

Vorschau (pdf)

Neutronenstreuung ist aufgrund der Wellenlänge und der kinetischen Energie thermischer Neutronen ideal für die Untersuchung der Struktur und Dynamik kondensierter Materie geeignet. Insbesondere für die Aufklärung magnetischer Strukturen und Anregungen und auch für unser Verständnis der Struktur und Dynamik von Materialien, die leichte Atome wie Wasserstoff enthalten, bieten Neutronen einzigartige Vorteile. Die Vorlesung gibt eine Einführung in die Theorie und die experimentellen Methoden der Neutronenstreuung. Die Aufklärung atomarer und magnetischer Strukturen und deren Anregungen sowie die Untersuchung von weicher Materie (z. B. Partikel in Lösung) wird besprochen.

Stand: 26.11.2021

Mit großen Instrumenten auf kleine Strukturen: Aufklärung der Funktion in Physik, Chemie oder Biologie auf der atomaren bis Nanoskala mit Großforschungsgeräten (PD Dr. Anton Plech) - Blockseminar

Privatdozent Dr. Anton Plech

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

Komplexe Funktionen und Eigenschaften kondensierter Materie sind begründet in der atomaren, bzw. mikroskopischen Struktur. Die Aufklärung dieser Struktur ermöglicht das Verständnis der Wirkungsmechanismen in Phänomenen, wie biologischen Nanomotoren, Katalyse, Wärmeleitung, Ferroelektrika oder der Effizienz von photoelektrischen Materialien. Synchrotrons, Freie-Elektronen-Laser oder Spallationsquellen stellen empfindliche Methoden dafür zur Verfügung. Im Seminar werden ausgewählte Fragestellungen vorgestellt und die Möglichkeiten der experimentellen Erforschung diskutiert.

Stand: 26.11.2021

Moderne Methoden der Oberflächenphysik (apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin) - Blockveranstaltung

Prof. Dr. Sebastian Goennenwein

Heutzutage spielen die Methoden der Oberflächenphysik in vielen Bereichen der angewandten und grundlagenorientiertenForschung eine entscheidende Rolle. Im Rahmen dieses Seminars sollen die neuen Entwicklungen im Bereich der Oberflächenphysik diskutiert werden. Insbesondere werden sowohl die modernen Methoden zur spektroskopischen undmikroskopischen Analyse der Oberflächeneigenschaften als auch Experimente auf atomarer und molekularer Skala anhand vonBeispielen aus der laufenden Forschung diskutiert.

Das Seminar wird nach dem Vorbesprechungstermin als Blockseminar angeboten. Termin steht noch nicht fest. Beim Vorbesprechungstermin werden die Themen bekannt gegeben.

Empfohlene Voraussetzung: Festkörperphysik

Stand: 26.11.2021

Geometrie in der Festkörperphysik (Dr. Levente Rózsa, Prof. Dr. Sebastian Goennenwein)

Dr. Levente Rózsa

Geometrische Konzepte spielen in unserem heutigen Verständnis von Materie eine wichtige Rolle. So stellte bereits der griechische Philosoph Platon die Hypothese auf, dass die Elemente aus regelmäßigen Körpern bestehen – und in der allgemeinen Relativitätstheorie wird Gravitation als eine Manifestation der Geometrie der Raumzeit verstanden. In der Festkörperphysik ermöglichen moderne experimentelle Techniken die Strukturierung von Materie auf der Nanometerskala. Damit werden faszinierende geometrische Effekte in Festkörpersystemen im Labor beobachtbar.
Im Seminar wollen wir an konkreten Beispielen die Bedeutung von geometrischen Konzepten in der Festkörperphysik diskutieren. Ein wichtiger Schwerpunkt werden dabei sogenannte photonische oder magnonische Kristalle sein, die sich durch geeignete Mikrostrukturierung von dielektrischen oder magnetischen Festkörpern realisieren lassen. Ein zweiter Schwerpunkt werden geometrische Phasen sein, mit denen der Aharonov-Bohm- oder der Josephson-Effekt modelliert werden kann. Schließlich wollen wir auch die Eigenschaften von geometrisch verkanteten Schichtmaterialien (z.B. „twisted bilayer graphene“) behandeln. Das Seminar ist dabei an der Schnittstelle zwischen theoretischer und experimenteller Physik angesiedelt, so dass neben den theoretischen Konzepten auch die unmittelbaren praktischen Konsequenzen von geometrischen Effekten in der Festkörperphysik zur Sprache kommen.

Stand: 26.11.2021

Erneuerbare Energien (apl. Prof. Dr. Giso Hahn) - Blockveranstaltung

apl. Prof. Dr. Giso Hahn

Erneuerbare Energien sind essentiell, um die Klimaerwärmung zu verlangsamen. In diesem Seminar sollen die unterschiedlichen Definitionen von erneuerbaren Energien, ihre Eigenheiten sowie Begriffe wie Energierücklaufzeiten, CO2-Fussabdruck, Sektorkopplung und Kostenstrukturen untersucht und evaluiert werden. Darauf aufbauend sollen Szenarien untersucht werden, wie eine zukünftige Enerigeversorgung aussehen würde, die zu einem sehr großen Anteil aus erneuerbaren Energien besteht.
Wünschenswert jedoch nicht unbedingte Voraussetzung zur Seminarteilnahme sind Grundkenntnisse der Halbleiterphysik, wie sie z. B. im Rahmen der Festkörperphysik-Vorlesung behandelt werden.
Die Veranstaltung soll in Form eines Blockseminars gegen Ende der Sommersemester-Vorlesungszeit stattfinden.

Stand: 25.11.2021

Angewandte Optik (hon. Prof. Dr. Michael Totzeck)

hon. Prof. Fr. Michael Totzeck

Prof. Dr. Angelo di Bernardo

In diesem Seminar erarbeiten wir gemeinsam fortgeschrittene Konzepte der Optik aus der aktuellen Forschung. Beispiele dafür sind Beamcombiner für Augmented Reality, Holographische Optik, Metalinsen, von-Laue Linsen, Photonische Kristalle, Hyperspektrale Abbildung, Polarisationskameras, Computational imaging, Superresolution Mikroskopie im Volumen. Das Seminar ist offen für weitere Themen aus dem Forschungsbereich. Außerdem wird uns, wenn epidemiologisch erlaubt, eine Exkursion zur Laser World of Photonics in München und eine zu ZEISS nach Oberkochen bringen.

Stand: 29.06.2021

Advances in Nanomaterials (Prof. Dr. Angelo Di Bernardo)

Nanomaterials, namely materials with at least one dimension between 1 and 100 nanometres, are intensively investigated both for their unique physical and chemical properties, which differ from those of bulm materials, and also for a wide range of technological applications in which they have found usage including quantum electronics, healthcare, water purification and other consumer products.

In this seminar, we will discuss the most important advancements made in the synthesis and fabrication of nanomaterials, focusing in particular on those nanomaterials (e.g., 2D materials, core/shell nanoparticles, nanoporous materials, nanotubes) which have raised great interest both in the scientific community and industrial world over the past decade. After reviewing the special physical properties of these nanomaterials, in the seminar we will discuss the main technological fields where they have found applications and the related open challenges.

Stand: 25. November 2021

Advanced experimental methods in nanophysics (Dr. S. Jung Jung) - Blockveranstaltung

Dr. Soon Jung Jung

Wie können wir Nanostrukturen erzeugen, die 10.000-mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares? Wie können wir die Atome „sehen“ oder „berühren“, die sich auf einer Attosekunden-Zeitskala bewegen? Nanodevices sind heute Stand der Technik in der High-Tech-Industrie. Um Ihnen zu helfen, ein Experte für diese Technologie zu werden, werden wir Ihnen die Grundlagen und Möglichkeiten von Nanotechnologie, ihre Werkzeuge und Analysemethoden für die Herstellung und Charakterisierung im Nanometer Maßstab vorstellen. Darüber hinaus erwerben Sie praktische Kenntnisse und Fähigkeiten, Nanostrukturen und Devices herstellen, analysieren und abbilden zu können. Erfahrene Forscher des Max-Plank-Instituts für Festkörperphysik in Stuttgart, spezialisiert auf Vakuumtechnik, Niedertemperaturforschung, Nanofabrikation, Rastertunnelmikroskopie, Elektronenmikroskopie, Elektronenspektroskopie und Synchrotron-basierte Spektroskopie, haben diesen Kurs zusammengestellt und aufgebaut. Die Vortragsreihe wird als 1-wöchiges Blockseminar mit integrierten Laborübungen (36 Stunden) organisiert, und findet am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart statt. Studenten aus Konstanz werden im Gästehaus des Max-Planck-Instituts untergebracht. Es wird in englischer Sprache abgehalten. Interessierte Studierende sollten sich per E-Mail an uns wenden (s.jung@fkf.mpg.de).

Stand: 14.03.2022

Seminare Theoretische Physik

Neural Networks for Physicists (Prof. Dr. Matthias Fuchs)

Dr. Matthias Fuchs

High data volumes make artificial neural networks more and more indispensable in modern science. This seminar gives an intuitive introduction to the basic concepts of neural networks, specially adapted to physicists.

The core concepts of neural networks have their foundations in statistical mechanics, i.e. probability theory and statistics. We can for example draw parallels between learning methods of neural networks and entropy or between the cognition of neural networks and the Ising model. The seminar covers topics from simple perceptron models to deep neural networks and Boltzmann machines.

The students are expected to participate actively by giving a presentation (with documentation) of their topic and writing a simple code for a neural network.

Requirements:

Statistical mechanics: Gibbs Entropy, Probability distribution functions, Ising Model of magnetism

Basic programming: E.g. Python or Matlab
Language: English or German to be decided at first meeting

Stand: 25.01.2022

Phasenübergänge und kritische Phänomäne (Prof. Dr. Peter Nielaba)

Prof. Dr. Peter Nielaba

Prof. Dr. Oded Zilberberg

Im Seminar werden die Grundlagen von Phasenumwandlungen und kritischen Phänomenen behandelt und wichtige exakt lösbare Systeme und Näherungsverfahren besprochen.

Topological phases of matter (Prof. Dr. Oded Zilberberg)

Prof. Dr. Sebastian Goennenwein

Topological phases are unique states of matter with nonlocal bulk order parameters (topological invariants), exhibiting associated bulk and surface conduction properties. Their discovery has sparked considerable interest across a wide spectrum of fields, including traditional condensed matter and material design, as well as in metamaterials for atoms, photons, phonons, plasmons, magnons. The hallmark of these novel phases is the emergence of topologically protected boundary phenomena. These manifest due to the bulk topological invariants: two systems belong to the same topological phase if they can be continuously deformed from one into the other without closing energy gaps. Consequently, at the interface between two topologically distinct systems, the energy gaps close by the appearance of localized boundary states. In this seminar, we will explore the relevant literature and milestones in this rapidly growing field, and identify the currently open questions in the field.

Geometrie in der Festkörperphysik (Dr. Levente Rózsa, Prof. Dr. Sebastian Gönnenwein)

Dr. Levente Rózsa