Tafel mit Formeln

Lehrveranstaltungen im Studienjahr 2023/24

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Wintersemester 2023/24

Wahlpflichtvorlesungen Experimentalphysik

Advanced Nanostructures (alp. Prof. Dr. Mikhail Fonin)

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin ​​​​​​​

ZEuS

Das wachsende Interesse an Nanomaterialien liegt an Ihren einzigartigen physikalischen Eigenschaften, die ihren Einsatz als Bauelemente mit erweiterten Funktionalitäten in vielen Technologiebereichen (z. B. Nanoelektronik, Datenspeicherung usw.) sehr vielversprechend macht. Im ersten Teil der Vorlesung werden die physikalischen Eigenschaften der neuartigen Nanomaterialien insbesondere auf der Basis von Dünnschichtsystemen und 2D-Materialien diskutiert. Im weiteren Verlauf der Vorlesung widmen wir uns der innovativen Herstellungsmethoden für Nanomaterialien und Nanostrukturen, wie chemische Synthese, Molekularstrahlepitaxie und Lithographie. Im Anschluss konzentrieren wir uns auf die fortgeschrittene Charakterisierung auf der Nanoskala, hauptsächlich basierend auf Rastersondenmethoden und Synchrotron-basierten Techniken. Schließlich widmen wir uns dem Design und der Herstellung von logischen Elementen und Speichereinheiten.

Climate Physics (Prof. Dr. Stefan Karpitschka)

Prof. Dr. Stefan Karpitschka

ZEuS

- genaue Inhalte folgen -

Halbleitertechnologie und Physik der Solarzelle (apl. Prof. Dr. Giso Hahn)

apl. Prof. Dr. Giso Hahn

ZEuS

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.

Magnetismus und spinabhängiger Transport (Dr. Michaela Lammel)

Dr. Michaela Lammel

ZEuS

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-, Ferromagnetismus) werden anschließend mikroskopische Modelle für die Kopplung Austauschwechselwirkung) 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.). Dieses Stoffgebiet soll auf der Basis aktueller Fachpublikationen erörtert werden.

Quantumn Optics: From Fundamentals to Applications (Dr. Ron Tenne)

Dr. Ron Tenne

ZEuS

"What is light composed of? This question is arguably as old as civilization itself. Quantum optics is a branch of science that was ignited by the above question more than a century ago and is now heading a technological revolution.
This course will begin with a description of the theoretical treatment of light in the quantum regime  through  the  second quantization  formalism.  Applying this formalism,  we  will describe what differentiates quantum states of light from their classical analogue, the coherent state. We will then delve into some of the essential phenomena of quantum optics such as the uncertainty principle,  vacuum  fluctuations,  quadrature  squeezing,  photon  antibunching  and  Hong-Ou- Mandel interferometry.
A second tier of the course will link the theoretical concepts with their physical manifestation in experiments. The basics of light-matter interaction will be applied to understand different ways to generate, manipulate and detect quantum states of light. Finally, we will discuss the second quantum revolution, the potential to harness quantum states of matter and light in order to meet some of the greatest current technological challenges. Here, we will discuss prominent examples of applying quantum resources in computation, communication and light microscopy with the aim of exposing the students to some of the opportunities the academic and high-tech sectors have to offer.
The  course  targets  master  students  and  PhD  candidates  with  solid  foundations  in  quantum mechanics and electromagnetism."

Wahlpflichtvorlesungen Theoretische Physik

Computational Approaches to Quantum Oscillators (Dr. Javier del Pino)

Dr. Javier del Pino

ZEuS

Quantum oscillators can represent various physical systems, such as vibrating atoms, photons, or even macroscopic objects like superconducting circuits. Additional time dependent forces (e.g. parametric) can leverage such oscillators and be used to amplify, cool, squeeze or couple them. This flexibility makes them ubiquitous in diverse areas of quantum technologies. State-of-the-art quantum sensing relies on advanced technologies such as quantum-limited amplifiers, optical frequency combs, and optomechanical sensors, which have been instrumental in experiments like LIGO. In the realm of quantum computing and quantum information processing, coupled oscillators are utilized for quantum error correction and as basic building blocks for quantum neural networks.

By working with these concepts in a computational environment, you will develop a deeper understanding of their significance and practical applications across different fields of physics. This hands-on course focuses on computational exploration of coupled quantum oscillators using Python (QuTiP) and Julia Notebooks (QuantumOptics.jl). You will delve into the mathematical formalism, study coupling mechanisms, and explore advanced concepts like squeezing, entanglement and coherence.

The combination of theoretical exploration and computational implementation will equip you with valuable skills in simulation and analysis of quantum dynamics.

Quantencomputing (Prof. Dr. Guido Burkard)

Prof. Dr. Guido Burkard

ZEuS

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.

Ralativistische Quantenfeldtheorie (apl. Prof. Dr. Rudolf Haussmann)

apl. Prof. Dr. Rudolf Haussmann

ZEuS

Ausgehend von der Klein-Gordon-Gleichung, der Dirac-Gleichung und den Maxwell-Gleichungen wird die relativistische Quantenfeldtheorie für die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie entwickelt. Zunächst werden die Materiefelder und die elektromagnetischen Felder quantisiert. Danach wird die Störungstheorie mit Feynman-Diagrammen zur Beschreibung von Wechselwirkungseffekten entwickelt. Fundamentale Probleme mit Ultraviolett-Divergenzen und deren Lösung durch Renormierung werden diskutiert. Die Theorie wird angewendet, um Strahlung von Licht, Streuung zwischen Elektronen, Positronen und Photonen und exotische Phänomene wie die Vakuumpolarisation zu verstehen. Die Lamb-Verschiebung von Atomniveaus und das anomale magnetische Moment von Elektron und Myon werden berechnet, welche in Präzisionsexperimenten gemessen werden können und einen sehr genauen Test der Theorie ermöglichen.

Seminare Experimentalphysik

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

Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende

ZEuS

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.

Neuartige 2D-Materialien (apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin)

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

ZEuS

Zweidimesionale (2D) Materialien wie Graphen, hexagonales Bornitrid und Übergangs-metalldichalkogenide verfügen über außergewöhnliche mechanischen, optischen, elektronischen und thermischen Eigenschaften und haben ein großes Potential für den Einsatz in funktionellen Baueinheiten für Quantenkommunikation oder Sensorik. Im Rahmen dieses Seminars sollen sowohl die Struktur als auch die elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften dieser neuartigen Materialien diskutiert werden. Insbesondere werden sowohl die Herstellung und die Eigenschaften der 2D Heterostrukturen als auch deren perspektivische technologische Anwendung besprochen.

Praktische Einführung in die Festkörperspektroskopie (Blockveranstaltung, PD Dr. Alexej Pashkin)

PD Dr. Alexej Pashkin

ZEuS

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

Seminare Theoretische Physik

Computational methods for quantum optics (Dr. Javier del Pino)

Dr. Javier del Pino

ZEuS

Quantum optics explores light-matter interactions, from atoms in optical lattices to superconducting circuits. These platforms can be manipulated with time-dependent forces, enabling amplification, cooling, squeezing, and coupling. Their adaptability is crucial in diverse quantum technologies, including quantum sensing with quantum-limited amplifiers and optical frequency combs, essential for experiments like LIGO. In quantum computing and information processing, quantum optical platforms are fundamental for quantum error correction and quantum neural networks.

Quantum optical systems exemplify driven dissipative quantum systems, posing computational challenges as their size increases. Simulating small quantum systems still offers valuable insights into behavior and aids in understanding many recent experiments and more complex many-body problems. By working with these concepts in a computational environment, you will develop a deeper understanding of their significance and practical applications of quantum optics across different fields of physics. 

This hands-on seminar focuses on the computational exploration of Quantum Optics using Python (QuTiP) and/or Julia Notebooks (QuantumOptics.jl). In this seminar, we will explore quantum optics research through scientific and book chapters. Focusing on small quantum systems treatable in classical computers, we will reproduce and discuss findings from these papers. By gaining an understanding of selected topics, you will prepare a talk supported by reproducible notebooks. 

This seminar welcomes experimentalists, theorists, and curious scientists alike.

Open Quantum Systems (Dr. Balázs Gulásci, Dr. Stephen McMillan, Prof. Dr. Guido Burkard)

Dr. Balázs Gulásci, Dr. Stephen McMillan, Prof. Dr. Guido Burkard

ZEuS

Open quantum systems play a significant role in numerous applications of quantum physics, since any realistic system is always subjected to a coupling to an uncontrollable environment that influences it in a non-negligible way. The purpose of the seminar is to introduce open quantum systems through various aspects of the foundations of the theory, and to provide students with an opportunity to engage in independent study with a relevant topic of their choice. 

The students are given the chance to present their chosen topic to the class in a 50 minute lecture. Additionally, each student is asked to submit a report (1,250 - 2,500 words) on their topic. A list of relevant topics will be provided, but if a student is particularly motivated on a topic outside the list it will be considered.

The seminar is designed for any students interested in developing the tools for describing and analyzing quantum systems beyond coherent toy-models. The methods and concepts covered in this seminar are ubiquitous in any realistic description of quantum systems and find application in topics ranging from quantum computing to biological processes. In the first few sessions the necessary fundamentals will be covered. No specific prerequisites are required. However, students will find some understanding of quantum mechanical concepts to be helpful.

The seminar is open to non-German speaking students.

Possible topics include:

  • Introduction to density matrices
  • Liouville superoperator formalism
  • Quantum dynamical maps
  • Markovian master equations
  • Decoherence and relaxation
  • Quantum measurement
  • Quantum Zeno effect
  • Brownian motion
  • Quantum computing
  • Chemical reactions
  • Human cognition and decision making
  • Cosmic inflation

Sommersemester 2024

Wahlpflichtvorlesungen Experimentalphysik

Physikalische Bildanalyse mit Python (Prof. Dr. Stefan Karpitschka)

Prof. Dr. Stefan Karpitschka

ZEuS

In dieser Vorlesung werden die grundlegenden Konzepte der Bildanalyse für physikalische Messungen anhand von zahlreichen Beispielen vermittelt. Dazu gehören Bilddatenformate, lokale Operationen, Interpolation, Faltungen und bilaterale Filter, morphologische Operationen, Klassifizierung, Segmentierung, Vektorisierung, Registrierung/optischer Fluss, Klassifizierung und maschinelles Lernen. In der Übung werden diese Konzepte mit interaktiven Python-Notebooks auf reale Situationen angewendet.

Festkörper-Spektroskopie (Prof. Dr. Martina Müller)

Prof. Dr. Martina Müller

ZEuS

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.

Magnetismus - Von den Grundlagen bis zur Anwendung (apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin)

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

ZEuS

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. 


 

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

Prof. Dr. Peter Baum

ZEuS

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.

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

Prof. Dr. Clemens Bechinger

ZEuS

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.

Technische Optik - Grundlagen und Anwendungen in der Hightech-Industrie (Hon. Prof. Dr. Michael Totzeck)

Hon. Prof. Dr. Michael Totzeck

ZEuS

In diesem Kurs lernen Sie die fortgeschrittenen Konzepte und Methoden der technischen Optik kennen, wie sie heute in der Hightech Industrie angewendet werden. Der Kurs baut auf dem Inhalt vom IK3 sowie den Grundlagen der Fouriertheorie auf und behandelt die folgenden Themen: Gaussche Strahlenoptik, paraxiale Auslegung optischer Systeme, Fourier Optik, Diffraktive Optik, Aberrationen und ihre Korrektur, Digitale Optik, Radiometrie, Mikroskopie, Interferometrie und Kohärenz, Polarisation, Lithographie, Visualisierung, Beschichtung. Sie lernen außerdem den Umgang mit der kommerziellen Optik-Design Software ZEMAX. Zwei Exkursionen führen uns auf die Lasermesse in München und zu ZEISS in Oberkochen. Der Kurs richtet sich an Master Studenten. Bachelor Studenten sind willkommen müssen aber Mehraufwand kalkulieren. Der Dozent Hon.-Prof. Michael Totzeck ist Fellow bei der Carl Zeiss AG.

Quantum Optics: From Fundamentals to Applications (Dr. Ron Tenne)

Dr. Ron Tenne

ZEuS

What is light composed of? This question is arguably as old as civilization itself. Quantum optics is a branch of science that was ignited by the above question more than a century ago and is now heading a technological revolution.
This course will begin with a description of the theoretical treatment of light in the quantum regime  through  the  second quantization  formalism.  Applying this formalism,  we  will describe what differentiates quantum states of light from their classical analogue, the coherent state. We will then delve into some of the essential phenomena of quantum optics such as the uncertainty principle,  vacuum  fluctuations,  quadrature  squeezing,  photon  antibunching  and  Hong-Ou- Mandel interferometry.
A second tier of the course will link the theoretical concepts with their physical manifestation in experiments. The basics of light-matter interaction will be applied to understand different ways to generate, manipulate and detect quantum states of light. Finally, we will discuss the second quantum revolution, the potential to harness quantum states of matter and light in order to meet some of the greatest current technological challenges. Here, we will discuss prominent examples of applying quantum resources in computation, communication and light microscopy with the aim of exposing the students to some of the opportunities the academic and high-tech sectors have to offer.
The  course  targets  master  students  and  PhD  candidates  with  solid  foundations  in  quantum mechanics and electromagnetism.

Wahlpflichtvorlesungen Theoretische Physik

Computational Physics of Many-body Systems (Prof. Dr. Zilberberg)

Prof. Dr. Oded Zilberberg

ZEuS

The lecture will give a deep insight into computer simulation methods in statistical physics alongside an introduction to computational physics. In the first part, the students learn to apply the following methods: classical Monte Carlo- simulations, finite-size scaling, cluster algorithms, histogram-methods, renormalization group. Moreover, the students learn about the application of statistical physics methods to Boltzmann machines and how to simulate non- equilibrium systems. In the second part, the students learn and apply molecular dynamics simulation methods. This part includes long-range interactions, Ewald summation and discrete elements. We will use the Julia programming language for the course exercises. The course is meant to complement the Quantum Computational Course given by Dr. Javier del Pino. Students interested in building a comprehensive skillset in computational physics are encouraged to attend both courses.

Parametric and Many-Body Phenomena in Quantum Optics (Javier del Pino)

Javier del Pino

ZEuS

This course offers an in-depth journey through quantum mechanics and its computational approaches, starting with foundational concepts like wavefunctions and the Schrödinger equation, and progressing to solve quantum one-body problems using various computational methods. A core part of the curriculum is dedicated to the quantum many-body problem, exploring indistinguishable particles, Fock space, and quantum spin models, alongside computational strategies like exact diagonalization and matrix product states for complex quantum systems. The course includes Monte Carlo methods for spin systems and quantum particles, offering practical computational approaches. Quantum computing is another key topic, with discussions on quantum gates, measurements, and variational quantum eigensolvers. The course further includes practical computational techniques such as Monte Carlo methods for spin systems and quantum particles, and delves into quantum computing, discussing quantum gates and variational quantum eigensolvers. It also integrates neural networks in the context of quantum physics, focusing on their structure and application in scientific data analysis.

This course supplements the Statistical Physics Methods course by Prof. Oded Zilberberg. Students seeking a well-rounded education in computational physics and quantum-engineered systems should consider enrolling in both courses.

Seminare Experimentalphysik

Form folgt Funktion (PD Anton Plech)

PD Anton Plech

ZEuS

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 in der Bionik. 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.

Functional properties in condensed-state materials are often related to their micro-scopic structure down to the atomic scale. Therefore resolution of this structure allows to find the mechanisms that govern the functionality, such as in biological (nano)motors, catalysis, thermal conductivity, ferroelectric devices or bionics. Synchrotrons, free electron lasers or spallation sources provide powerful tools for the analysis of such structures. We will discuss selected prototypical research topics and discuss how the experimental access can be realized.

Komplexe Fluide (Prof. Dr. Stefan Karpitschka)

Prof. Dr. Stefan Karpitschka

ZEuS

In diesem Blockseminar werden verschiedene Aspekte der Physik komplexer Fluide anhand von Beispielen aus der Forschung besprochen. Komplexe Fluide zeichnen sich durch innere Freiheitsgrade wie Mischungskonzentrationen oder viskoelastische Spannungen aus und zeigen ein oft verblüffendes Verhalten. Studierende arbeiten sich anhand einer wissenschaftlichen Arbeit in ein Teilgebiet ein und präsentieren eine Einführung in die Grundlagen sowie die Inhalte der wissenschaftlichen Arbeit.

Highlights of condensed-matter physics: Nobel prizes and scientific breakthroughs (Gönnenwein und Nowak)

Prof. Dr. Sebastian Gönnenwein

Prof. Dr. Ulrich Nowak

ZEuS

Wissenschaftliche Durchbrüche auf dem Gebiet der Festkörperphysik sind der Schwerpunkt dieses Seminars. Wir werden Experimente und/oder Theorien diskutieren, die mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, sowie wichtige Meilensteine, die in wichtigen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. In einem ersten Schritt wird es wichtig sein, solche bahnbrechenden Entdeckungen zu identifizieren, z. B. auf dem Gebiet des Magnetismus, der Spintronik, der Supraleitung oder der Halbleiterphysik. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse werden wir die (aus Sicht der Teilnehmer) interessantesten Themen auswählen und diskutieren. Das Seminar ist dabei bewusst an der Schnittstelle zwischen Theorie und Experiment angesiedelt, so dass die relevantesten Aspekte einer bestimmten Entdeckung angesprochen werden können, wobei entweder ihre praktische Relevanz, ihre grundlegende Bedeutung oder beides betont wird.

Neutronenstreuung (PD Dr. Urs Gasser)

Privatdozent Dr. Urs Gasser

ZEuS

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.

Seminar via Zoom.

Magnetism of single atoms and molecules (Blockveranstaltung, apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin)

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

ZEuS

Dieses Seminar widmet sich den jüngsten experimentellen Fortschritten bei der Untersuchung elektronischer und magnetischer Eigenschaften von Strukturen im atomaren und molekularen Bereich auf Oberflächen. Eine Reihe experimenteller Beispiele wird in Verbindung mit den grundlegenden Aspekten des Magnetismus und des spinabhängigen Transports diskutiert. Im Fokus stehen Local-Probe-Methoden (Rastertunnelmikroskopie) sowie chemisch sensitive Techniken (Röntgen- Zirkularmagnetdichroismus). Experimentelle Herausforderungen bei der Herstellung und Untersuchung solcher Strukturen sowie deren mögliche Anwendungsperspektive werden ebenfalls diskutiert.

This seminar is dedicated to the recent experimental advances in the investigation of electronic and magnetic properties of atomic and molecular scale structures on surfaces. A row of recent experimental examples will be discussed in conjunction with the fundamental aspects of magnetism and spin-dependent transport. Local probe methods (scanning tunneling microscopy) as well as chemically sensitive techniques (x-ray circular magnetic dichroism) will be in focus. Experimental challenges upon the preparation and investigation of such structures as well as their possible impact on the current technology will be addressed.

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

Prof. Dr. Peter Baum

ZEuS

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.

Physikalische Aspekte beim energieeffizienten Bauen (Blockveranstaltung, apl. Prof. Dr. Giso Hahn)

apl. Prof. Dr. Giso Hahn

ZEuS

Physik spielt bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb von energieeffizienten Gebäuden eine große Rolle und wird für das zukünftige ressourcenschonende Wirtschaften essentiell sein. Dabei geht es z. B. um Energieumwandlung, Wärme- und Feuchteströme sowie integrierte Anlagenkonzepte. Im Seminar sollen ausgewählte physikalische Aspekte näher beleuchtet werden, die in diesem Themenkreis wichtig sind.
Das Seminar findet in Form eines Blockseminars gegen Ende der Vorlesungszeit des Semesters statt. Themenvergabe und die konkrete Terminplanung erfolgen im Rahmen einer Vorbesprechung zu Beginn der Vorlesungszeit. Grundkenntnisse der Festkörperphysik sind wünschenswert, aber nicht zwingend erforderlich.

Englisch:
Physics plays a major role in the planning, construction and operation of energy-efficient buildings and will be essential for future resource-conserving economic activity. This involves, for example, energy conversion, heat and moisture flows and integrated system concepts. The seminar will take a closer look at selected physical aspects that are important in this area.
The seminar takes place in the form of a block seminar towards the end of the lecture period of the semester. Topics will be assigned and the specific dates scheduled during a preliminary meeting at the beginning of the lecture period. Basic knowledge of solid state physics is desirable, but not essential.

Seminare Theoretische Physik

High Performance Computing (Holder und Kazenwadel)

Jacob Holder & Daniel Kazenwadel (betr. Hochschullehrer Peter Baum)

ZEuS

Numerische Simulationen mit Hochleistungsrechnern sind ein essenzieller Teilbereich der modernen Physik. In diesem Seminar werden Sie lernen, kooperativ im Team einen schnellen und effizienten Computercode in einzelne Teilaufgaben zu abstrahieren und zu implementieren. Der technische Schwerpunkt des Seminars liegt auf der schnellen Simulation großer Systeme und den dafür benötigten Techniken wie z.B. Parallelisierung mit MPI, shared memory, Rechencluster und Laufzeitanalyse. An einem gemeinsamen Beispielprojekt, in dem Sie kollaborativ im Team ein Gittermodell implemetieren, werden wir die dafür benögten Softwareentwicklungswerkzeuge, wie z.B.: Continuous Integration, Versionierungssysteme (Git), automatisierte Tests, C++, usw. direkt verwenden und ausprobieren können.Der physikalische Fokus liegt dabei auf der Implemetierung verschiedener Monte Carlo (MC) Algorithmen, darunter kinetische MC, Metropolis MC und Metadynamik. Die Teilnehmer erlernen die Grundlagen dieser Algorithmen und deren Anwendung auf Gittermodelle, insbesondere Ising- und Potts-Modelle.

Numerical simulations with high-performance computers are an essential part of modern physics. In this seminar you will learn how to abstract and implement fast and efficient computer code into individual subtasks in a team. The technical focus of the seminar is on the fast simulation of large systems and the techniques required for this, such as parallelization with MPI, shared memory, computing clusters and runtime analysis. Using a joint example project in which you collaboratively implement a lattice model, we will learn the software development tools required for this, such as: Continuous Integration, versioning systems (Git), automated tests, C++, etc. and try them out directly.The physical focus is on the implementation of various Monte Carlo (MC) algorithms, including kinetic MC, Metropolis MC and Metadynamics. Participants will learn the basics of these algorithms and their application to grid models, especially Ising and Potts models.

Neural Networks for Physicists (Niklas Grimm, AG Fuchs)

Niklas Grimm (AG Fuchs)

ZEuS

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

Quantum Information and Entanglement (Joris Kattemölle)

Joris Kattemölle, Lorenzo Bernazzani

ZEuS

Das Seminar führt in die Theorie der Quanteninformation und der Quantenverschränkung ein und vertieft anhand von studentischen Projekten die zentralen Konzepte und Fragestellungen dieser Forschungsfelder. Wir fangen an mit einer Einführung in die mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik, mit Inbegriff des Dichtematrixbilds, die Verschränkung reiner und gemischter Zustände, und Quantenkanäle. Aufbauend darauf stehen Themen wie die Bellschen Ungleichungen, dichte Kodierung und quantenmechanisches Erzeugen von sicheren Schlüsseln als Vertiefungsthemen zur Wahl. Im Bereich Quanteninformation sind Themen wie Shannontheorie, Quantenentropie, die Beschreibung und Charakterisierung von Quantenkanälen sowie die Kapazität eines Quantenkanals Gegenstand des Seminars.

Das Seminar richtet sich sowohl an Physikstudent*innen als auch an Student*innen der Informatik. In den ersten Sitzungen wird in die benötigten Grundlagen der beiden Disziplinen eingeführt. Voraussetzung sind lediglich Grundkenntnisse der linearen Algebra. Auch Student*innen der Vorlesung Quantencomputing sind willkommen und können ihr Wissen in den oben genannten Bereichen erweitern.

Mögliche Themen für Vorträge sind etwa:

- Entropie und klassische Shannontheorie;
- Quantenentropie und Kapazität eines Quantenkanals;
- Bellsche Ungleichungen;

- Verschränkung gemischter Zustände;
- Ähnlichkeits- und Abstandsmaße für Quantenkanäle;
- Quantenfehlerkorrektur;
- Quantenmechanisches Erzeugen von sicheren Schlüsseln
- Quanten-Tensornetzwerksnotation

Abschluss-Seminar

Gute Wissenschaftliche Praxis (Stefan Gerlach)

Stefan Gerlach

ZEuS

Wissenschaftliches Fehlverhalten und Schwächen im Forschungsumfeld sowie deren viefältige Ursachen sind seit vielen Jahren in Diskussion und tauchen immer wieder in den Medien auf. Prominente Beispiele wie die Betrugsfälle von Jan Hendrik Schön haben dazu beigetragen, dass es inzwischen Leitlinien und Satzungen für eine gute wissenschaftliche Praxis gibt, die solche Probleme verhindern sollen.
Damit diese Problematik auch den angehenden Forschenden (d.h. Bachelorstudierenden) bekannt wird, soll dieses Seminar Themen rund um eine gute wissenschaftliche Praxis behandeln und zur Diskussion stellen. Aufbauend auf dem neuen Kurs "Methodenkenntnisse für die Bachelorarbeit" werden dabei Themen wie

- Was ist Wissenschaft und welche Probleme gibt es?
- Was bringt Open Science?
- Wie funktioniert Forschungsdatenmanagement?
- Was ist bei Forschungssoftware zu beachten?
- Gutes Wissenschaftliches Schreiben

von den Teilnehmern vorgestellt und in der Gruppe diskutiert.