Kommentierte Veranstaltungsankündigung zum Wintersemester 2011/2012

Physikalisches Institut

nach Dozenten alphabetisch geordnet 

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• Leitfähigkeit quantenmechanisch kohärenter Leitungselektronen (Landauer Formalismus)
• Quantenpunktkontakte und Nanodrähte
• Unordnung in Nanostrukturen (Random-Matrix Theorie)
• Quanten-Hall-Effekt und Quanten-Spin-Hall-Effekt
• Bauelemente mit spinpolarisierten Elektronen (Spintronics)
• Graphen und quasi-relativistische Dirac-Elektronen in der Physik der kondensierten Materie
• Kohlenstoffnanoröhrchen

Vortragsthemen (vorläufig):

• Wetter im Sonnensystem
• Verbindung Sonne - Erde
• Unser Wetter und Klima
• Wetter auf der Sonne
• Wetter auf Braunen Zwergen
• Wetter auf Gasplaneten, Felsplaneten, Monden
• Kosmische Strahlung

Vorkenntnisse:

Die Vorlesung kann ab dem dritten Bachelor-Fachsemester besucht werden. Das mathematische Rüstzeug wird in der Vorlesung erarbeitet.

• J.M. Ziman, Models of Disorder, Cambridge U.P., 1979

According to the needs of the audience, this lecture can be given in English.

Die Vorlesung bietet eine Einführung in die theoretischen Grundlagen der klassischen Molekulardynamik-Simulation mit Anwendungsbeispielen aus dem Gebiet der Weichen Materie, vor allem der Bio- und Polymerphysik. Programmierkenntnisse sind nicht notwendig und werden im Laufe der Vorlesung zusammen mit einem Simulationsprogramm für Fallstudien aus aktuellen Forschungsgebieten (z.B. Biomembranen, Polymerschmelzen, semiflexible Polymere, Dendrimere, Stoßwellenphysik) entwickelt, bis hin zur Visualisierung von Simulationsergebnissen. Die Studenten werden dadurch in die Lage versetzt, Probleme aus der aktuellen Forschung zu bearbeiten.

• Einleitung, Grundlagen und Historie
• Grundlagen der Statistischen Physik, Ensembles, Phasenraum, Liouville Operator
• Molekulare Dynamik, Aufbau eines Simulations-Programms, Abstrakte Datentypen
• Grundlagen der Programmierung in C, Algorithmen, Turing-Maschine, O-Notation
• Biophysik der Zelle, Modellsysteme und Wechselwirkungen, Lennard-Jones Modelle
• Grundlagen der Polymerphysik und der Flüssigkeiten, Skaleneigenschaften
• Simulation von Flüssigkeiten und komplexen Makromolekülen in diversen Ensembles
•  Monte-Carlo Simulationen versus Molekulardynamik
• Stochastische NVT Thermostate

• M.O. Steinhauser, Computational Multiscale Modeling of Fluids and Solids – Theory and Applications, Springer Verlag (2008)
• D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation, Academic Press (2002)
• K. Binder and D.W. Heermann, Monte Carlo Simulation in Statistical Physics, Springer (2010)

• Scattering theory
• Scattering amplitude and cross section
• Partial wave expansion
• Born series
• Angular momentum and spin
• Algebraic derivation of the spectrum
• Half-integer angular momenta and spin
• Symmetries and invariances in quantum mechanics, representation theory
• Decomposition into irreducible representations, addition of angular momenta and Wigner-Eckart theorem
• Time-dependent perturbation theory
• The Dyson series for time-dependent perturbations
• Transitions into a continuum: Fermi's golden rule
• Example: Photo-ionization
• Many-body systems
• Systems of distinguishable particles
• Indistinguishable particles: Fermi and Bose systems, spin-statistics theorem
• Variational principles, Hartree and Hartree-Fock approximation
• Interaction of radiation with matter
• Quantization of the electromagnetic field
• Interaction Hamiltonian
• Example: Emission and absorption of radiation
• Relativistic wave equations, Dirac equation

• A. Galindo, P. Pascual, Quantum Mechanics II (Springer-Verlag)
• G. Grawert, Quantenmechanik (Akademische Verlagsgesellschaft)
• W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik 5/2 (Springer-Verlag)
• F. Schwabl, Quantenmechanik, Quantenmechanik für Fortgeschrittene (Springer-Verlag)
• N. Straumann, Quantenmechanik (Springer-Verlag)

• Quantization of the electromagnetic field
• Quasiprobability distributions
• Counting statistics
• Dressed states/Floquet states
• Fluorescence spectrum of a two-level atom
• Cavity quantum electrodynamics

• C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, G. Grynberg, Atom-Photon-Interactions
• L. Mandel, E. Wolf, Optical coherence and quantum optics
• R. Loudon, The quantum theory of light

• Elektrostatik (Feldgleichungen, elektrisches Potential, Poisson- und Laplace-Gleichungen, Randwertprobleme, Green'sche Funktionen, Multipolentwicklung, E-Feld in Materie)
• Magnetostatik (Feldgleichungen, Biot-Savart'sches Gesetz und Anwendungen, Vektorpotential, magnetisches Moment, Magnetfeld in Materie)
• Elektrodynamik (Maxwell-Gleichungen, elektrodynamische Potentiale, Eichfreiheit, Wellengleichungen, Energiesatz, Maxwell'scher Spannungstensor)
• Elektromagnetische Wellen (Reflexion, Brechung, Hohlleiter, Lienard-Wiechert-Potentiale, Dipolstrahlung, Wellenausbreitung in Medien)
• Spezielle Relativitätstheorie (kovariante Formulierung der Feldgleichungen, Lagrange-Formalismus für Felder)
• Mathematische Ergänzungen (delta-Distribution, Vektoranalysis, orthogonale Funktionensysteme, Elemente der Funktionentheorie)

• J.D. Jackson, Klassische Elektrodynamik , De Gruyter
• W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik, Band 3, Elektrodynamik, Springer Verlag
• T. Fließbach, Elektrodynamik: Lehrbuch zur Theoretischen Physik II, Spektrum Akademischer Verlag
• F. Scheck, Theoretische Physik 3: Klassische Feldtheorie, Springer Verlag

in englischer oder deutscher Sprache nach Vereinbarung

In Superconductivity 1 (WS 2011/12), the phenomenology of superconductivity is discussed for conventional and high-T_c superconducting materials.

• Fundamental experiments: persistent current, perfect diamagnetism, isotope effect, flux quantization.
• Type-I and Type-II superconductivity.
• Phenomenological theories: London, Ginzburg-Landau, Lawrence-Doniach.
• Characteristic parameters: critical temperature T_c, critical fields and currents; penetration depth, coherence length.

In Superconductivity 2 (SS 2012), the microscopic theory of superconductivity will be addressed.

• M. Tinkham, Introduction to Superconductivity

Auffrischen mathematischer Grundkenntnisse:

Rechnen, Ableiten, Integrieren, Analytische Geometrie und Lineare Algebra, Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung

keine, Anmeldung nicht erforderlich!

• Glaeser, Der mathematische Werkzeugkasten, Elsevier (2006)
• Heft, Mathematischer Vorkurs, Elsevier (2006)
• Korsch, Mathematik-Vorkurs, Binomi Verlag (2004)
• Weltner, Mathematik für Physiker (12. Auflage), Springer (2001)

Es werden Grundbegriffe der Physik erläutert, dann die Mechanik starrer und deformierbarer Körper behandelt.
Im Kapitel über Wellen werden mechanische, Schall- und Lichtwellen angesprochen.
Es folgen die Wärme- und Elektrizitätslehre und darauf aufbauend die Optik.
Zum Schluss werden Atom- und Kernphysik zusammen mit ionisierender Strahlung besprochen.

Es wird versucht, die Beziehungen zu medizinischen bzw. pharmazeutischen Anwendungen hervorzuheben.

Außerdem werden begleitend in der Vorlesung Übungsaufgaben gerechnet, um auf die nachfolgenden Prüfungen optimal vorzubereiten.

Die Vorlesung richtet sich an Studenten der Human- und Zahnmedizin sowie an Pharmazeuten.

• Physik für Mediziner und Pharmazeuten, V. Harms im Harms Verlag
• Übungsbuch dazu, V. Harms im Harms Verlag
• Physik für Mediziner, U. Harten im Springer Verlag
• Physik für Mediziner, W. Seibt im Thieme Verlag

C. Amsler, Kern- und Teilchenphysik, UTB, ISBN 978-3825228859

An introduction into the basic concepts of computational materials science with a special emphasis on nanoscopic materials and processes will be given. The computational tools for different time and length scales will be introduced and it will be discussed how these tools can be combined in order to attack physical problems extending over too many scales for one single method alone.  We will start from the efficient treatment of correlated many electron systems within stationary and time-dependent density functional theory. Forces can be extracted from these methods and the short term dynamics of small amounts of materials can be studied. After the introduction of classical  interatomic potentials for the atomistic description of materials on submicron and submicrosecond scales, coarse grained molecular dynamics methods will be discussed for even larger systems and longer time scales. Finally, continuum approaches will be derived from the atomistic models.

Optische Fallen und optische Mikromanipulation haben das Potenzial, eine Schlüsselrolle bei zukünftigen Mikro- und Nanosystemen an der Schnittstelle zu den Life Sciences zu spielen. In der Vorlesung sollen Sie lernen, was mit optischen Kräften machbar ist, wo physikalische Grenzen liegen und was im Moment noch durch Technologie beschränkt wird. Neben faszinierender Grundlagenforschung lassen sich verschiedenste Anwendungen ableiten, in Kombination mit bestehenden Mikrosystemen, in der Biologie, oder in fluktuationsgesteuerten Systemen. Die Vorlesung ist vielfältig und
vermittelt Grundlagen in der Optik, der statistischen Physik und der Biologie/Biophysik.

  1. Einführung
  2. Licht – Informationsträger und Aktor
  3. Nur über die Mikroskopie
  4. Lichtstreuung
  5. Optische Kräfte 
  6. Bewegungsverfolgung jenseits des Unschärfebereichs 
  7. Brownsche Bewegung und Kalibrierungstechniken 
  8. Photonische Kraftmikroskopie 
  9. Anwendungen in der Biophysik 
10. Time-Multiplexing und holographisch optische Fallen 
11. Anwendungen in der Mikrosystemtechnik 
12. Anwendungen in der Nanotechnologie

Die Vorlesung stellt einen Streifzug durch die moderne Zellbiophysik dar, adressiert Fragen der aktuellen Forschung und stellt moderne Untersuchungsmethoden vor. Dies beinhaltet klassische, aber auch neueste physikalische Modelle und Theorien, welche in Kombination mit raffinierten Messmethoden einen erheblichen Fortschritt in der Biophysik, ermöglicht haben. Die angewandten physikalischen Methoden beflügeln nicht nur die Biologie und Medizin, sondern auch die Physik komplexer Systeme, welche mit der lebenden Zelle ein unvergleichliches Niveau an Selbstorganisation und Komplexität erreicht.
Die Vorlesung richtet sich an Physiker und Ingenieure im Hauptstudium. Sie bietet eine bunte Mischung aus Physik, Biologie und Chemie, Mathematik und Ingenieurswissenschaft, welche mit zahlreichen Bildern und Animationen (sowie den Übungen) veranschaulicht werden.

  1.	Struktur und Aufbau der Zelle oder Das Rezept für zellbiophysikalische Forschung
  2.	Diffusion und Fluktuationen
  3.	Mess- und Manipulationstechniken
  4.	Biologisch relevante Kräfte
  5.	Biophysik der Proteine
  6.	Polymerphysik
  7.	Viskoelastizität und Mikro-Rheologie
  8.	Die Dynamik des Zytoskeletts
  9.	Molekulare Motoren
10.	Membranphysik

• Joe Howard: Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton
• Gary Boal: Mechanics of the Cell
• Rob Phillips : Physical Biology of the Cell

• Ein bisschen Statistik
• Spektralanalyse
• Kreuzspektralanalyse
• Autoregressive-Prozesse, Zustandsraummodell
• Punktprozesse

• J.D. Hamilton, Time Series Analysis, Princeton University Press, 1994
• P.J. Brockwell, R.A. Davis, Time Series, Theory and Methods, Springer, 1998
• J. Honerkamp, Stochastic Dynamical Systems, VCH, 1994
• Dissertation Bjoern Schelter

• Grundbegriffe der Physik
• Mechanik starrer und deformierbarer Körper
• mechanische, Schall- und Lichtwellen
• Wärme- und Elektrizitätslehre
• Optik
• Ionisierende Strahlung, Atom- und Kernphysik

• Tipler: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure
• Pitka u.a.: Physik Grundkurs
• Stroppe: Physik

Die Vorlesung baut auf der Kursvorlesung Experimentalphysik V auf.
Erlernt werden die grundlegenden Konzepte der Beschreibung fundamentaler Wechselwirkungen sowie die Schlüsselexperimente, die zu experimentellen
Bestätigung des Standardmodells der Teilchenphysik geführt haben.

Einführung (Teilchen und Wechselwirkungen, Symmetrien)

Elektromagnetische Wechselwirkung, Quantenelektrodynamik (Theorie, Feynmanregeln, Experimentelle Tests)

Schwache Wechselwirkung: von Fermi-Theorie bis zur Elektroschwachen Vereinigung (Phänomenologie, Eichprinzip, Experimentelle Tests bei LEP und an Hadron-Beschleunigern)

Starke Wechselwirkung (Quantenchromodynamik) (Theorie und expertimentelle Überprüfung)

Offene Fragen: Higgs-Physik, Erweiterungen des SM (Theorie, experimenteller Status und Ausblick)

• D. Griffiths, Einführung in die Elementarteilchenphysik, Akademie Verlag
• P. Schmueser, Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker, Springer Verlag
• F. Halzen und A.D. Martin, Quarks & Leptons, John Wiley

Die Vorlesung Experimentalphysik III vermittelt die Grundlagen aus der Speziellen Relativitätstheorie, der fortgeschrittenen Optik, eine Einführung in die Quantenmechanik, und den Aufbau einfacher atomarer Systeme.

Die Vorlesung wird durch Übungen begleitet. Teilnahme an den Übungen ist für das Verständnis der Vorlesung dringend erforderlich.

Folgende Themen werden behandelt werden:

• Spezielle Relativitätstheorie
• nertialsysteme, Lorentz-Transformation
• Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion
• Vierdimensionale Raumzeit, Relativistischer Impuls und Masse
• Optik
• Polarisation von Licht bei der Reflexion und Brechung
• Doppelbrechung
• Polarisationsoptik
• Gaußsche Strahlen
• Optische Resonatoren, Moden
• Laser
• Grundlagen der nichtlinearen Optik, Frequenzverdopplung
• Einführung in die Atomphysik
• Bedeutung, Eingliederung der Atomphysik
• Historisches, experimentelle Hinweise auf den Atomaufbau
• Bestimmung von Größe, Masse und Struktur von Atomen
• Entwicklung der Quantenphysik
• Quantenphänomene: Wellen und Teilchen
•   Wellenpakete
• Unschärferelation
• Grundlagen der Quantentheorie
• Materiewellen, Wahrscheinlichkeiten, Quantisierung und Schrödinger-Gleichung
• Grundregeln und Axiome der Quantenmechanik
• Bahn-Drehimpulse
• Das Wasserstoffatom
• Das Bohr’sche Atommodell – Struktur der Atomhülle
• Quantenmechanische Lösung des Einteilchenproblems
• Diskussion der Wellenfunktion des Wasserstoffatoms
• Das Periodensystem
• Das Pauli-Prinzip
• Schalenaufbau
• Quasi-Einelektronensysteme

Experimentalphysik I + II, Theoretische Physik I + II

• T.M. Mayer-Kuckuk, Atomphysik, Teubner
• H. Haken, H.C. Wolf, Atom- und Quantenphysik, Springer
• W. Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer
• I.V. Hertel, C.P. Schulz, Atome, Moleküle und optische Physik 1/2, Springer
• W. Demtröder, Atoms, Molecules and Photons, Springer
• C.J. Foot, Atomic Physics, Oxford

Kristallgitter, anorganische Halbleitermaterialien (Si, Ge, GaAs)

Herstellung von Halbleiter-Volumenkristallen und epitaktischen Schichten

Einfache Bändermodelle, tight-binding vs. Einelektronenmodell

n- und p-Dotierung, effektive Masse

Zustandsdichte, Ladungsträgerstatistik

elektronischer Transport, Felder und Ströme, p-n-Übergang

Quantisierungseffekte in Halbleitern 2D-, 1D- und 0D- Halbleiterheterostrukturen

Halbleiter-Quantenfilme und -Übergitter

Ibach/Lüth, Festkörperphysik

K. Seeger, Semiconductor Physics

P.Y. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors

http://demonstrations.wolfram.com

für Studenten nach dem Vordiplom