Kommentare Sommersemester 2017

Experimentalphysik II (Elektromagnetismus und Optik)

Dozent: Prof. Dr. Oliver Waldmann
Zeit: 4 st., Mo 10-12, Do 12-14
Ort: Rundbau Albertstraße
Beginn: 24.04.2017

Programm:

Die Vorlesung Experimentalphysik II vermittelt die experimentellen Grundlagen der Elektrizität, des Magnetismus und der Optik. Im Zentrum der Vorlesung stehen Demonstrationsexperimente. Die Vorlesung wird durch Übungen begleitet.

Folgende Themen werden behandelt:

• Elektrische Ladung
• Elektrische Felder
• Gaußscher Satz und elektrisches Potential
• Kapazität
• Elektrischer Strom, Widerstand und Stromkreise
• Magnetfelder
• Strominduzierte Magnetfelder, Induktion und Induktivität
• Wechselstrom und Schwingkreise
• Maxwellgleichungen und elektromagnetische Wellen
• Geometrische Optik
• Reflexion und Brechung von Licht
• Licht als Welle: Interferenz und Beugung

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I
 

Einführende Literatur:

• W. Demtröder, Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik, Springer-Verlag
• Tipler / Mosca, Physik, Springer Verlag
• J. Heintze, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3: Elektrizität und Magnetismus, Springer Verlag
• Bergmann / Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2, Elektromagnetismus, Verlag de Gruyter

Experimentalphysik IV (Atom-, Molekül- und Festkörperphysik)

Dozent: apl. Prof. Dr. Bernd von Issendorff
Zeit: 4 st., Mi 8-10, Do 12-14
Ort: HS I
Beginn: 26.04.2017
Veranstaltungs link

Programm:

• Komplexe atomare Systeme und periodisches System
• Struktur und Eigenschaften von Molekülen
• Struktur und Eigenschaften von Festkörpern und Oberflächen

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I-III

Einführende Literatur:

Theoretische Physik I (Mechanik und Spezielle Relativitätstheorie)

Dozent: Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Zeit: 4 st., Di, Mi 10-12
Ort: HS I
Beginn: 25.04.2017
 

Programm: 

• Mechanik des Punktteilchens
• Systeme von Massenpunkten
• Bewegung in Zentralkraftfeldern
• Inertialsysteme und beschleunigte Bezugssysteme
• Symmetrien, Invarianzen und Erhaltungsgrößen
• Methode der Lagrange-Multiplikatoren
• Hamiltonsches Prinzip
• Lineare Schwingungen
• Hamilton-Mechanik
• Dynamik starrer Körper
• Spezielle Relativitätstheorie

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I
 

Einführende Literatur:

• V.I. Arnold, Mathematical Methods of Classical Mechanics, Springer
• H. Goldstein, C.P. Poole, J.L. Safko, Klassische Mechanik, Wiley-VCH
• J. Honerkamp, H. Römer, Grundlagen der Klassischen Theoretischen Physik, Springer
• F. Kuypers, Klassische Mechanik, Wiley-VCH
• L.D. Landau, E.M. Lifshitz, Lehrbuch der Theoretischen Physik, Band I, Akademie-Verlag
• W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik, Band 1, 2 und 4, Springer
• H. Römer, M. Forger, Elementare Feldtheorie, VCH

Theoretische Physik III (Quantenmechanik)

Dozent: Prof. Dr. Gerhard Stock
Zeit: 4 st., Mo 10-12, Di 12-14
Ort: HS I
Beginn: 24.04.2017

Programm: 

• Schrödingergleichung
• Eindimensionale Probleme
• Wasserstoffatom
• Spin
• Drehimplus
• Störungstheorie
• ...
• EPR -Paradoxon und Bell'sche Ungleichungen

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I-II, Analysis und Lineare Algebra
 

Einführende Literatur:

• F. Schwabl. Quantenmechanik
• T. Fließbach. Quantenmechanik

Höhere Mathematik

Dozent: Prof. Dr. Stefan Dittmaier
Zeit: 4 st., Mi 12-14, Fr 10-12
Ort: HS I
Beginn: 27.04.2017
Veranstaltungs link

Programm: 

• Funktionentheorie: Komplexe, holomorphe und meromorphe Funktionen, Laurent-Reihen. Cauchy-Riemann'sche Differentialgleichungen, Komplexe Integration, Satz von Cauchy, Satz von Liouville, Residuensatz.
• Gewöhnliche Differentialgleichungen: Existenz- und Eindeutigkeitssätze, Lipschitz-Bedingungen, Lineare Differentialgleichungen, Wronski-Determinante; homogene und inhomogene Differentialgleichungen, Matrix-Exponentialfunktion.
• Ein-dimensionale Sturm-Liouville-Probleme, Eigenwertprobleme, Orthogonalsysteme
• Spezielle Differentialgleichungen: Bessel, Hermite, Legendre, hypergeometrisch, konfluent hypergeometrisch und ihre Lösungen.

Vorkenntnisse:

Für die Vorlesung werden die Inhalte der Grundvorlesungen Analysis für Stu-dierende der Physik, Lineare Algebra I und II vorausgesetzt.

Einführende Literatur:

Experimentelle Methoden

Dozent: Prof. Dr. Markus Schumacher
Zeit: 2 st., Mo 14-16
Ort: HS I
Beginn: 24.04.2017

Programm:

• Statistische Methoden der Datenanalyse
• Datenanalyse mit ROOT
• Grundlagen der Elektronik
• Digitale und analoge Messtechnik
• Grundlagen von Detektoren

Hinweis:
Die erfolgreiche Teilnahme an dieser Veranstaltung ist Voraussetzung zur Teilnahme am Physiklabor für Fortgeschrittene.

Einführung in die Moderne Digitalelektronik

Dozent: apl. Prof. Dr. Horst Fischer
Zeit: 2 st., Fr 12-14
Ort: SR I
Übungen: Di 16-18, CIP Pool II
Beginn: 28.04.2017

Programm:

Ziel:
Die Teilnehmenden erhalten einen Überblick über die wesentlichen Anwendungsgebiete und Methoden in der heutigen Digitalelektronik. Sie lernen an Hand von Beispielen die Konzepte und Funktionsweise digitaler Schaltkreise kennen und werden in die Programmierung von logischen Bausteinen eingeführt. In der praktischen Übung werden Logikbausteine (FPGA) selbst programmiert.

Folgende Themen werden behandelt:

• Anwendungsfelder der Digitalelektronik
• Grundlagen und logische Verknüpfungen
• Schaltkreisfamilien
• Rechenschaltungen
• programmierbare Bausteine (FPGA und CPLD)
• Zahlen und Speicher
• Automaten
• Systeme zur Datenaufzeichnung

Vorkenntnisse:

Einführende Literatur:

• Urbansk, Digitaltechnik (Springer)
• Tietze Schenk, Halbleitertechnik (Springer)

Wellenoptik / Wave Optics

Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Mi 13-16
Ort: IMTEK, Geb 102 SR 01-012
Beginn: 26.04.2017
Übungen: 2 st., n.V.


Programm:

Wir wissen nicht wirklich was Licht ist, obwohl die physkalischen Konzepte um Licht als Welle oder als Partikel zu beschreiben, sehr effizient funktionieren. Oft sind jedoch die quantitativen Beschreibungen von farbenvollen Intensitätsverteilungen, die wir alltäglich sehen können, recht kompliziert zu erfassen. Hierbei ist die Kontrolle von Licht, auf makroskopischer und nanoskaliger Ebene der Schlüssel zu eindrucksvollen Ergebnissen und Entdeckungen, die sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie erzielt werden.

In der Vorlesung „Wellenoptik“ werden wir theoretische Werkzeuge, wie beispielsweise die Fourier-Transformation, detailliert besprechen und auf diese Weise Schritt für Schritt ein tiefgründiges Verständnis der Wellenoptik erarbeiten. Die Vorlesung wird begleitet von vielen Experimenten und Übungen welche den Vorlesungsstoff vertiefen und in wöchentlichen Tutoraten besprochen werden.

1. Einleitung Motivation, weiterführende Literatur und eine kleine Historie.

2. Von der elektromagnetischen Theorie zur Optik Was ist Licht? Welches illustrative Bild zeichnen die Maxwell Gleichungen? Wenn dielektrische und metallische Materie als gedämpfte Federn beschrieben werden kann, wie ist der Zusammenhang zwischen Material und der Wellenlänge des einfallenden Lichts? Was sagen die Wellengleichung und die Helmholtz Gleichung aus? Wie können Wellen im Orts- und im Frequenzraum beschrieben werden?

3. Fourier-Optik Wie verändert eine Welle eine Positionsinformation in eine Richtungsinformation? Was ist die Beziehung zur Fourier-Transformationen in 1D, 2D und 3D? Wie steht dies im Zusammenhang mit linearer optischer Systemtheorie, Raumfiltern und dem Abtasttheorem?

4. Wellenoptik, Lichtausbreitung und Beugung Verschiedene Methoden werden vorgestellt wie die Lichtausbreitung im Orts- und im Frequenzraum beschrieben werden können. Wir stellen den direkten Transfer zwischen Lichtausbreitung und Beugung von Licht her. Wir behandeln evaneszente Wellen, dünne beugende Objekte, die Lichtausbreitung in inhomogenen Medien als auch die Impulserhaltung an optischen Gittern. Dies ermöglicht uns wichtige aktive optische Elemente wie zum Beispiel akusto-optische Modulatoren und SLMs zu diskutieren. Dieses Kapitel endet mit den Themen, adaptive Optik und Phasenkonjugation.

5. Interferenz, Kohärent und Holographie Wir lernen wie die Komposition von k-Vektoren die Phase interferierender Wellen und die daraus resultierenden Streifenmuster definieren. Die relative Phase einer jeden Teilwelle in Raum und Zeit verändern hierbei die Interferenz signifikant und definieren die Kohärenz des Lichts; Diese Konzepte werden detailliert diskutiert. Wir lernen wie Phaseninformation mittels Holographie gelesen und geschrieben werden kann.

6. Lichtstreuung und Plasmonik Die Interaktion von Licht mit Materie basiert auf der Partikel-Streuung: Wie diskutieren die theoretischen Konzepte der Lichtstreuung im Bezug auf die Fourier-Theorie. Wir erweitern diese Herangehensweise zur Photonendiffusion, nichtlinearer Optik, Fluoreszenz und Raman Streuung als auch Streuung an Halbleitern – alles brandaktuelle Themen in der modernen Photonik. Ein großer Schwerpunkt wird hierbei auf die Beschreibung von Oberflächenplasmonen und Partikelplasmonen gelegt. Hier kann Licht räumlich, extrem beschränkt werden.

1. Einleitung
1.1. Motivation
1.2. Literatur
1.3. Etwas Historie

2. Von der elektromagnetischen Theorie zur Optik
2.1. Was ist Licht?
2.2. Die Maxwell-Gleichungen
2.3. Die Veränderung von Licht in Materie
2.4. Wellengleichung & Helmholtzgleichung
2.5. Wellen im Orts- und Frequenzraum

3. Fourier-Optik
3.1. Einleitung
3.2. Die Fourier-Transformation
3.3. Linear-optische Systeme
3.4. Raumfilter
3.5. Das Sampling Theorem

4. Wellenoptische Lichtausbreitung und Beugung
4.1. Paraxiale Lichtausbreitung und Gauss-Strahlen
4.2. Wellenausbreitung und Beugung
4.3. Evaneszente Wellen
4.4. Beugung an dünnen Phasen- und Amplitudenobjekten
4.5. Lichtausbreitung in inhomogenen Medien
4.6. Beugung an gittern
4.7. Acousto-Optik
4.8. Spatiale Lichtmodulatoren
4.9. Adaptive Optik und Phasenkonjugation

5. Interferenz, Kohärenz und Holographie
5.1. Grundlagen
5.2. Interferometrie
5.3. Grundlagen der Kohärenz-Theorie
5.4. Prinzipien der Holographie

6. Lichtstreuung und Plasmonik
5.5. Streuung von Licht an Partikeln
5.6. Photonen Diffusion
5.7. Grundlagen nichtlinearer Optik
5.8. Fluoreszenz und Raman-Streuung
5.9. Fluoreszierende Quantum-Dots
5.10. Oberflächenplasmone and Partikelplasmonen
 

Vorkenntnisse:

 -

Einführende Literatur:

Begleitend zur Vorlesung wird ein Skriptum mit definierten Lücken (weisse Boxen) zur Verfügung gestellt.

Halbleiterbauelemente / Semiconductor Devices

Dozent: PD Dr. Harald Schneider, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Zeit: 2 st., Blockvorlesung 06.-09.06.2017, jeweils 10-12 und 14-17
        sowie 1-2 Vorlesungen nach Vereinbarung
Ort: HS II
Beginn: 06.06.2017

Programm:

• Transportphänomene
• Metall-Halbleiter-Kontakt, Schottky-Diode
• p-n Übergang: Diodengleichrichter, Photodiode, LED, Laserdiode, Solarzelle
• Bipolare Transistoren, HBT
• Feldeffekt-Transistoren: JFET, MESFET, HEMT, MOSFET, FGFET
• Quantenstruktur-Bauelemente: RTD, QWIP, QCL, ICL

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik IV (Kondensierte Materie), Vorlesung Grundlagen der Halbleiterphysik (apl. Prof. J. Wagner)
 

Einführende Literatur:

• S.M. Sze and K.K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, 2006
• S.M. Sze, Semiconductor Devices, Wiley, 2001

Einführung in die Astrophysik

Dozent: PD Dr. Markus Roth
Zeit: 3 st., Di 9-12
Ort: HS II
Übungen: 2 st. n.V.
Beginn: 26.04.2017
Veranstaltungs link

Programm:

Diese Vorlesung vermittelt einen Überblick über Ziele und Ergebnisse der modernen Astrophysik und über das moderne Weltbild. Themen sind die Grundlagen der physikalischen Eigenschaften der Sonne und des Planetensystems, des Aufbaus und der Entwicklung von Sternen, sowie die Grundlagen der Physik von Sternsystemen und des modernen kosmologischen Weltbildes. Die Vorlesung ist gedacht für den Studiengang Physik Bachelor im 4. Semester sowie für das Lehramt Physik.
Themen:

• Einleitung
• Koordinatensysteme
• Das Sonnensystem
• Teleskope und Instrumente
• Photometrie
• Aufbau und Entwicklung von Sternen
• Die Sonne
• Veränderliche Sterne
• Die Milchstraße
• Das Interstellare Medium
• Extragalaktische Physik
• Strukturen im Universum und Kosmologie

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I-III, Theoretische Physik I-III
 

Einführende Literatur:

• Weigert, A., Wendker, H., Wisotzki, L.: Astronomie und Astrophysik - Ein Grundkurs VCH Verlagsgesellschaft, 4. Aufl. (2004), ISBN 3-527-40358-2
• Karttunen, H., Kröger, P., Oja, H., Poutanen, M. Donner, K. J.: Fundamental Astronomy, Springer-Verlag, ISBN 3-540-17264-5
• Hanslmeier, A., Einführung in die Astronomie und Astrophysik (2. Auflage 2007), Springer ISBN 978-3-8274-1846-3
• Scheffler, H., Elsässer, H.: Physik der Sterne und der Sonne Bibliographisches Institut, ISBN 3-411-01438-5
• Unsöld, A:, Bascheck, B.: Der neue Kosmos (6. Auflage), Springer-Verlag, ISBN 3-540-64165-3

Photovoltaic Energy Conversion / Photovoltaische Energiekonversion

Dozent: Dr. Uli Würfel
Zeit: 2 st., Di 8-10
Ort: SR GMH
Übungen: nach Vereinbarung (1 st.)
Beginn: 25.04.2017

Programme:

• Basic structure of solar cells
• Thermodynamic limit for the conversion of sunlight into electrical energy
• Semiconductors: density of states, Fermi energy, doping
• Generation and recombination, quasi Fermi energies
• Transport of charge carriers
• The pn-junction
• Charge carrier selectivity
• Ideal solar cells
• Real solar cells: crystalline Si solar cells
• Thin film solar cells
• Tandem and multijunction solar cells,
• Dye, organic and perovskite solar cells

Prerequisits:

Knowledge of semiconductor or solid state physics advantageous but not mandatory /Halbleiter- bzw. Festkörperphysik von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich

Literature:

• P. Würfel, U. Würfel, Physics of Solar Cells, Wiley-VCH, 3rd Edition 2016
• M.A. Green, Solar Cells, University of New South Wales 1982

Fortgeschrittene Theoretische Physik für Lehramtsstudierende

Dozent: apl. Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit: 4 st., Mo, Di 10-12
Ort: SR I
Beginn: 24.04.2017
Vorlesungslink

Programm:

Diese Vorlesung speziell für Lehramtsstudierende findet zum vierten Mal statt und ist für Studierende nach der neuen Prüfungsordnung (GymPO) eine Pflichtvorlesung. Empfohlen wird die Teilnahme im 4. Fachsemester. Studierende nach der alten Prüfungsordnung (WPO) können wahlweise die Theo IV oder diese Vorlesung hören. Der Schwerpunkt dieser Vorlesung ist die Quantenmechanik, allerdings bezieht sich ein Teil des Inhalts auch auf die Statistische Mechanik. Nach dem aktuellen Modulhandbuch erhalten Sie nach erfolgreicher Teilnahme an dieser Vorlesung und den begleitenden Übungen einen Leistungsnachweis. Die Kriterien werden in der Vorlesung bzw. den Übungen bekannt gegeben. Für Studierende nach der alten Prüfungsordnung kann auch ein benoteter Schein ausgestellt werden. 
 

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I-III
 

Einführende Literatur:

Einführung in die Physikdidaktik für Studierende des Gymnasiallehramts

Dozent: JunProf. Dr. Martin Schwichow
(Veranstaltung der Pädagogischen Hochschule)
Zeit: 4 st., Di 14-16
Ort: Pädagogische Hochschule KG 3-111
Vorlesungs link

Programm:

• Physikunterricht legitimieren / Ziele
• Ziele / Lehrplan / Bildungsstandards
• Kontextorientierung und Lebensweltbezug
• Moderne Themen / didaktische Rekonstruktion
• Schülervorstellungen
• Im Physikunterricht experimentieren
• Modellmethode
• Computereinsatz im Physikunterricht
• Offener schülerorientierter problemorientierter Unterricht (Teil 1)
• Offener schülerorientierter problemorientierter Unterricht (Teil 2)
• Aufgabenkultur
• Physikunterricht evaluieren
• Interesse
• KLAUSUR

Einführende Literatur:

• Helmut F. Mikelskis (Hrsg.), Physik-Didaktik: Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen Verlag Scriptor, 2006, 290 S.
• Silke Mikelskis-Seifert/Thorid Rabe (Hrsg.), Physik-Methodik: Handbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen Verlag Scriptor, 2007, 242 S.
  
   

Advanced Quantum Mechanics

Dozent: apl Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Zeit: 4 + 3 st., Mi, Fr 10-12
Ort: HS II
Beginn: 26.04.2017

lecture link


Programme:

• Scattering theory: scattering amplitude and cross-section, partial wave expansion, Lippmann-Schwinger equation and Born series.
• Fundamentals of the representation theory of groups, in particular of the rotation group SO(3). Tensor product representations and irreducible representations. Wigner-Eckart theorem. Applications to angular momentum and spin couplings in atomic, molecular and condensed matter physics.
• Time-dependent perturbation theory: Dyson-expansion, Fermi’s Golden Rule, examples of application to important time-dependent quantum processes.
• Many-particle systems: identical particles, spin-statistic theorem, variational principles, Hartree and Hartree-Fock approximations.
• Interaction between radiation and matter. Quantization of the electro-magnetic field. Interaction Hamiltonian, emission and absorption.
• Relativistic quantum mechanics and quantum field theory; Dirac equation, quantization of Klein-Gordon and Dirac’s equation.

Literature:

• F. Schwabl, Quantum Mechanics (2007, Springer)
• W. Greiner, Quantum Mechanics, An Introduction (Vol. 4, 2001, Springer)
• C. Cohen-Tannoudj, Quantum Mechanics 2 (2009, de Gruyter)
• D. J. Tannor, Introduction to Quantum Mechanics (2007, Univ. Science)

Theoretical Condensed Matter Physics

Dozent: Dr. Vitaly Golovach, Ikerbasque Research Fellow, Materialen Fisika Zentroa CFM
Zeit: 4 st., Mo 10-12, Mi 12-14
Ort: SR Westbau 2.OG
Übungen: n.V.
Beginn: 26.04.2017

Programme:

Starting point are the elementary excitations in solids, such as the electrons and the phonons, whose properties will be investigated. This allows us to apply several methods of advanced quantum mechanics, such as the second quantization, and to make use of particular symmetries and invariants. We will focus on periodic potentials, on the Bloch theorem, and on the Born-Oppenheimer approximation. We will discuss the major types of spin-orbit interaction in solids, introduce the notion of Berry curvature, Cern number, and topological insulators. The electron-phonon coupling, which we introduce next, paves the way to study quasiparticles, such as polarons, excitons and polaritons, and to understand the basic features of superconductivity. Furthermore, particular attention will be given to the theory of dielectric and magnetic materials, also mentioning properties related to their phase transitions and to disorder. Finally, we will use the notions acquired during the course to discuss modern aspects of quantum materials from the perspective of quantum technologies.

Topics:

• Crystal structures, crystal vibrations, quantization of harmonically coupled lattices, phonons.
• Electrons in periodic potentials, Bloch waves, band structure.
• Spin degrees of freedom, spin-orbit interaction in solids
• Berry curvature, Cern number, topological insulators.
• Application to conductors, insulators and semi-conductors.
• Electron phonon coupling.
• BCS theory of superconductivity.
• Macroscopic quantum coherence
• Classical and quantum spin chains.
• Quantum devices and qubits

Prerequisits:

The theoretical courses at the bachelor level and especially "Theoretical quantum mechanics".
The advanced mathematical tools required here will be introduced in the framework of the course.  
 

Literature:

• M.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid State Physics
• J.M. Ziman, Principles of the Theory of Solids

Introduction to Relativistic Quantum Field Theory

Dozent: JunProf. Dr. Harald Ita
Zeit: 4 st., Mo, Mi 12-14
Ort: Mo SR I, Mi SR II
Übungen: Di 12-14, SR I
Beginn: 24.04.2017

Programme:

• Quantization of scalar fields (Klein Gordon equation, classical field theory, canonical quantization, scattering theory and Feynman diagrams)
• Vector-boson fields (classical field equations, electromagnetic interactions and the gauge principle, quantization of the electromagnetic field, scalar QED and perturbative evaluation)
• Dirac fermions (basics of Lie Groups, Lorentz group and its representations, Dirac and Weyl equations, Poincare group and its representations, quantization of free Dirac fields, QED and perturbative evaluation, applications)
• Quantization with functional integrals

Prerequisits:

Quantum Mechanics, Electrodynamics and Special Relativity
 

Literature:

• Bjorken/Drell: "Relativistic Quantum Mechanics"
• Bjorken/Drell: "Relativistic Quantum Fields"
• Itzykson/Zuber: "Quantum Field Theory"
• Maggiore: "A Modern Introduction to Quantum Field Theory"
• Peskin/Schroeder: "An Introduction to Quantum Field Theory"
• Ramond: "Field Theory: a Modern Primer"
• Tung: "Group Theory in Physics"
• Weinberg: "The Quantum Theory of Fields, Vol.1: Foundations"

Computational Physics: Materials Science

Dozent: Prof. Dr. Michael Moseler
Zeit: 4st., Di, Do 14-16
Ort: SR GMH
Übungen: Do 16-18, SR GMH, CIP II
Beginn: 25.04.2017

Programme:

This lecture provides an introduction into basic concepts of atomistic computational materials science. 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 solve physical problems extending over too many scales for one single method alone. We will start with a brief introduction to density functional theory and more approximate methods such as tight binding. Quantum derived forces can be extracted from these methods and the short term dynamics of small nanosystems can be studied. For the simulation of larger systems and longer time scales, classical interatomic potentials are required. The students will become familiar with some examples for the different types of interatomic potentials: e.g. Lennard-Jones, Born-Mayer, Embedded-Atom, Bond-Order-potentials as well as bead-spring potentials for polymers. A brief introduction into the basic methodology of micro-canonical and thermostated molecular dynamics simulations will be given. The lecture is accompanied by a hands-on programming course. Classical molecular dynamics simulations will be used to study metallic and covalently bonded materials  

Prerequisits:

Basic knowledge in classical and quantum mechanics

Literature:

lecture script: A brief Introduction into Computational Materials Science
 

Classical Complex Dynamics

Dozenten: Dr. Maxim Dolgushev, apl Prof. Dr. Oliver Mülken,
Zeit: 4 st., Mi, Fr 16-18
Ort: SR GMH
Übungen: Mo 10-12, Sozialraum GMH
Beginn: 26.04.2017
lecture link

Programme:

Part I: Stochastic Processes

• Introduction
• Stochastic Variables
• Stochastic Processes
• Markov Processes
• Master Equations
• Discrete Processes
• Fokker-Planck and Langevin Equations
• Anomalous diffusion

Part II: Chaos Theory

• Introduction
• One-dimensional Maps
• Attractors and Fractals
• Chaos in Hamiltonian Systems

Literature:

• N. G. van Kampen, Stochastic processes in physics and chemistry, North-Holland (1990)
• Edward Ott, Chaos in Dynamical Systems, Cambridge University Press (1993)
• Predrag Cvitanovic, Roberto Artuso, Ronnie Mainieri, Gregor Tanner, Gabor Vattay, Niall Whelan and Andreas Wirzba, chaosbook.org

Advanced Optics and Lasers

Dozent: PD Dr. Roman Schmied
Zeit: 4 st., Mi 8-10, Do 10-12
Ort: Mi HS II, Do HS I
Beginn: 26.04.2017
Übungen: Mi 14-16

Programme:

The lecture starts with a revision of the basic concepts of light-matter interaction. Then the laser principle is introduced. Based on the condition for population inversion, the stationary mode of operation as well as the dynamics of switching processes is discussed using rate equations. Different components of a laser such as resonators and devices for frequency selection or short pulse generation are presented. Then, different most commonly used types of lasers are presented and their properties are discussed. Finally, current methods for the generation of extremely short and intense pulses will be addressed as well as nonlinear optical techniques such as frequency mixing and harmonic generation. The tutorials include problem sheets as well as practical laboratory courses to work on different laser systems.
 

Prerequisits:

Experimental Physics I-III
 

Literature:

• W. Lange “Laserphysik”
• Demtröder “Laserspektroskopie”
• J. Eichler & H.J. Eichler, Springer, „Laser“
• F.K. Kneubühl /M.W. Sigrist “Laser”
• D. Meschede “Optik, Licht und Laser”
• C. Ruilliere, Springer, "Femtosecond laser pulses“

Condensed Matter II: Interfaces and Nanostructures

Dozent: Prof. Dr. Günter Reiter
Zeit: 4 st., Do, Fr 8-10
Ort: HS I
Beginn: 27.04.2017
Lecture link

Programme:

The students should get an overview over phenomena which only appear on surfaces and interfaces (e.g. how to make water running uphill?). The course deals with special structural and electronic properties of liquid and solid surfaces as well as their relevance in many fields of modern material science and nanotechnology.
Surfaces between solids and liquids can be found in most of the physical, chemical, biological and geological systems, as well as in many technological processes. Although the number of atoms or molecules at these surfaces is comparatively small, this "minority" can often dominate or even control the behavior of large (macroscopic) systems.

Topics:

• General description of interfaces: Thermodynamics and kinetics
• Interaction forces at interfaces: Short- and long range forces, ...
• Liquids and liquid interfaces: Droplets, bubbles, waves, "liquid beads"
• Solid-liquid interfaces: Hydrodynamics, capillarity, wetting, ...
• Structure of solid surfaces: Electronic processes at surfaces
• Surface processes: Adsorption/desorption, phase transitions
• Making of well defined solid surfaces: Surface reconstruction, surface transport, ...
• Growth- and decay: Epitaxy, nucleation, lattice mismatches, mechanical stress
• Organic layers and nanostructures on surfaces: Directed stucturing of surfaces at nm-scale

Prerequisits:

Experimentalphysik IV (Condensed Matter)
 

Literature:

• Intermolecular and Surface Forces, With Applications to Colloidal and Biological Systems, Jacob Israelachvili, Academic Press 1995 bzw. Elsevier 2008
• "Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves" von P.-G. de Gennes, F. Brochard-Wyart und D. Quéré, Springer, New York, 2004
• John A. Venables, Lecture notes on Surfaces and Thin Films
• I. Markov, Crystal Growth for Beginners, World Scientific

Hadron Collider Physics

Dozent: Dr. Christian Weiser
Zeit: 4 st., Mo, Di 10-12
Ort: Mo SR III, Di SR GMH
Beginn: 24.04.2017

Programme:

In this lecture Physics at Hadron Colliders is discussed. The focus lies on the discussion of recent physics measurements performed at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. They include experimental tests of the Standard Model, Higgs boson physics and searches for extensions of the Standard Model.

The programme consists of:
- Lectures (3h per week: split in 2h every Monday, and 2h every second Tuesday)
- Exercises / tutorials (3 h per week), including computer simulations and analysis of ATLAS physics events

Topics:

• Accelerators
• LHC detectors
• Phenomenology of pp collisions
• Structure functions, cross sections
• Particle signatures in LHC experiments
• Inelastic pp collisions
• Production of jets, test of perturbative QCD
• Physics of W and Z bosons
• The top quark and its properties
• Search for the Higgs boson, measurements of the properties of the new particle at 126 GeV
• Search for supersymmetric particles
• Search for other extensions of the Standard Model

Prerequisits:

Experimental Physics V (Nuclear and Particle Physics)
Particle Physics II (desirable)
 

Literature:

• F. Halzen, A.D. Martin, Quarks and Leptons, Wiley-Verlag;
• D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley-Verlag;
• G. Kane, A. Price (Ed.), Perspectives on LHC Physics, World Scientific;
• R.K. Ellis, W.J. Stirling und B.R. Webber, QCD and Collider Physics, Cambridge Univ. press;
• D. Green, High PT Physics at Hadron Colliders, Cambridge Univ. press;
• J.M. Campbell, J.W. Huston und W.J. Stirling, Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, Rep. Prog. Phys. 70 (2007) 89-193.

Astroparticle Physics

Dozent: Prof. Dr. Marc Schumann
Zeit: 4 st., Do 10-12, Fr 12-14
Ort: HS II
Übungen: Mo 10-12 SR GMH
Beginn: Fr 28.04.2017

Programme: 

• The standard model of particle physics
• Conservation Rules and symmetries
• The expanding universe
• Matter, Radiation
• Dark matter
• Dark energy
• Development of structure in the early universe
• Particle physics in the stars
• Nature and sources of high energy cosmic particles
• Gamma ray and neutrino astronomy

Prerequisits:

Experimentalphysik V (Kern- und Teilchenphysik)
 

Literature:
tba

Theory and Modeling of Materials - Theoretical Models for Magnetic Properties of Materials

Dozent: apl. Prof. Dr. Christian Elsässer
Zeit: 2 st., Fr 8-10
Ort: SR I
Übungen: 14-tägig, 2 st., Ort und Zeit nach Vereinbarung
Beginn: 28.04.2017
 

Program:

(In englischer oder deutscher Sprache nach Vereinbarung.)

The series of one- or two-semester elective-subject lectures introduces theo- retical models and computational methods of solid-state physics for the de- scription of many-electron systems, by means of which cohesion and struc- ture, physical, chemical, or mechanical properties of perfect crystals and real materials can be understood qualitatively and calculated quantitatively on a microscopic fundament. 
 

Prerequisits: 

Theoretical physics and solid-state physics on the level of a BSc in Physics
 

Literature:

recommended literature will be announced in each lecture

Physical Processes of Self-Assembly and Pattern Formation

Dozent: Prof. Dr. Günter Reiter
Zeit: Do 10-11, Fr 10-12
Ort: SR GMH
Übungen: Mi 10-12, Hochhaus Seminarraum 3.OG
Beginn: 27.04.2017
Lecture link

Programme:

Goal:
Questions about how organization and order in various systems arises have been raised since ancient times. Self‐assembling processes are common throughout nature and technology. The ability of molecules and objects to self‐assemble into supra‐molecular arrangements is an important issue in nanotechnology. The limited number of forms and shapes we identify in the objects around us represent only a small sub-set of those theoretically possible. So why don't we see more variety? To be able answering such a question we have to learn more about the physical processes responsible for self-organization and self-assembly.

Content: "Physical laws for making compromises"
Self‐assembly is governed by (intermolecular) interactions between pre‐existing parts or disordered components of a system. The final (desired) structure is 'encoded' in the shape and properties of the basic building blocks. In this course, we will discuss general rules about growth and evolution of structures and patterns as well as methods that predict changes in organization due to changes made to the underlying components and/or the environment.

Students will learn how structural organization, i.e., the increase in internal order of a system, can lead to regular patterns on scales ranging from molecular to the macroscopic sizes. They will understand the physics of how molecules or objects put themselves together without guidance or management from an outside source.

Prerequisits:

Experimentalphysik IV (Condensed Matter)

Literature:

• Yoon S. LEE, Self-Assembly and Nanotechnology: A Force Balance Approach, Wiley 2008
• Robert KELSALL, Ian W. HAMLEY, Mark GEOGHEGAN, Nanoscale Science and Technology, Wiley, 2005
• Richard A.L. JONES, Soft Machines: Nanotechnology and Life, Oxford University Press, USA 2008
• Philip BALL, Shapes, Flow, Branches. Nature's Patterns: A Tapestry in Three Parts, Oxford University Press, USA
• J.N. ISRAELACHVILI, Intermolecular and Surface Forces, Third Edition, Elsevier, 2011

Geometrical Phases in Quantum Mechanics and Quantum Hall Physics

Dozent: Dr. Alberto Rodríguez, Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Zeit: 3 st., Mo 14-17
Ort: SR I
Übungen: 2 st., Di 16-18, SR I
Beginn: 24.04.2017

Programme:

This course describes fundamental quantum phenomena which are of key importance to understand current experiments in a variety of systems, from semiconductors to cold atoms.

The two major topics covered are adiabatic geometric phases and the quantum Hall effect. The goal is to provide the students with a basic formalism, based on quantum mechanics, to understand and study these phenomena. We will make connection with experimental observations and discuss related open questions.

Preliminary programme:

(1) Geometrical phases in quantum mechanics
    (1.1) Adiabatic evolution
    (1.2) Berry's adiabatic phase
    (1.3) Experimental significance: Spins in magnetic fields
    (1.4) The Aharonov-Bohm phase

(2) Two-dimensional electron systems in electro-magnetic fields: quantum Hall effect
    (2.1) Classical motion of an electron under electric and magnetic fields
    (2.2) Magneto-resistance and classical Hall effect
    (2.3) Phenomenology of 2-D electron gases (2DEG) in high magnetic fields

(2.4) Basic properties of 2DEG

(2.5) Quantum treatment of 2DEG: Landau Levels
    (2.5.1) Magnetic translations
    (2.5.2) The symmetric gauge
    (2.5.3) The Landau gauge. Current densities.

(2.6) The Integer quantum Hall effect
    (2.6.1) Quantum problem with uniform electric and magnetic fields
    (2.6.2) Confining potentials and edge states
    (2.6.3) Disorder and localization
    (2.6.4) Non-equilibrium occupation of edge states
    (2.6.5) Laughlin's Gedankenexperiment
    (2.6.6) Scaling laws for the plateau-plateau transition

(2.7) The Fractional quantum Hall effect
    (2.7.1) Role of e-e interactions
    (2.7.2) Laughlin's wavefunction
    (2.7.3) Two-body problem and Haldane pseudopotentials
    (2.7.4) Elementary excitations: quasi-particles
    (2.7.5) Fractional quantization and hierarchy
    (2.7.6) Statistics of quasi-particles

Prerequisits/Previous knowledge:

The theoretical lectures of the BSc-Physics course. Some knowledge of solid state physics may be helpful but it is not essential.
The course is primarily aimed at Master students.

Literature:

• "The geometric phase in quantum systems", A. Bohm, A. Mostafazadeh, H. Koizumi, Q. Niu, J. Zwanziger, Springer (2003).
• "The quantum Hall effect", D. Yoshioka, Springer (1998).
• "The quantum Hall effect: Novel excitations and broken symmetries", S. M. Girvin, Lectures delivered at Ecole d’Eté Les Houches, July 1998 (arXiv:cond-mat/9907002).

Optical Trapping and Particle-Tracking

Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Di 10-13
Ort: SR Westbau 2.OG
Beginn: 25.04.2017

Program:

Optical traps and optical micro-manipulation techniques do have the potential to play a key role in future micro- and nanosystems in conjunction with the life sciences. In this lecture the students should learn what is doable with optical forces, where physical limits are and what is limited by nowadays technology. Besides fascinating fundamental research various applications related to biology or fluctuation based systems are presented. The lecture is manifold and teaches basics in optics, statistical physics and biology/biophsics.

The tutorials help the students to get a more in depth and thorough understanding of the lecture. Here, a special focus is put on the transfer of knowledge obtained in the lecture. To achieve this the students should prepare weekly exercise and present them during the tutorial. Only difficult exercises are presented by the tutors.

Content:

1. Introduction
2. Light - Information carrier and actor
3. About microscopy
4. Light scattering
5. Optical forces
6. Tracking beyond the uncertainty
7. Brownian motion and calibration techniques
8. Photonic force microscopy
9. Applications in cell biophysics
10. Time-multiplexing and holographics optical traps
11. Applications in microsystems technology
12. Applications in nanotechnology

Literature:

Accompanying to the lecture printed lecture notes with defined gaps (white boxes) are distributed.

Theoretical Astrophysics II: Stellar Magneto-Hydrodynamics and Pulsations

Dozent: Prof. Dr. Ferriz Mas, PD Dr. Markus Roth
Zeit: 2 st, Mi 16-18
Ort:
Beginn: 26.04.2017
Lecture link

Programme:

4. Plasma physics and magneto-hydrodynamics

• Plasma properties
• Magneto-hydrodynamic equation
• Induction equation
• Generation of magnetic fields
• MHD-Waves (Alfvén-waves, slow and fast MHD waves)
   

5. Stellar Pulsations

• Stellar Structure and Evolution
• Observations of stellar pulsations
• Linear adibatic oscillations
• Helioseismology
• Asteroseismology

Prerequisits:

- Introductory knowledge on astronomy and astrophysics
- "Theoretical Astrophysics I" is helpful but not required.

Literature:

• Aerts C. et al., "Asteroseismology", Springer Verlag
• Prialnik D., "Stellar Structure and Evolution", Cambridge University Press
• Traschen: black hole radiation
• Baumann: TASI lectures on inflation
• Spruit, H., "Essential magnetohydrodynamics for astrophysics", Lecture Notes

Computational Neuroscience: Models of Neurons and Networks

Dozent: Prof. Dr. Stefan Rotter, Prof. Dr. Carsten Mehring
Zeit: 4 st, Di, Fr 14-16
Ort: Bernstein Center Freiburg, Lecture Hall (Hansastrasse 9a, 79104 Freiburg)
Beginn: 25.04.2017
Registration for this course by email to danica.subally@biologie.uni-freiburg.de

Programme:

Mathematical concepts and methods:

• Basic probability and statistics
• Linear and nonlinear dynamical systems
• Phase plane methods
• Continuous stochastic processes and point processes
• Graphs and networks, random graphs

Models of biological neurons and networks:

• Hodgkin-Huxley theory of the action potential
• Stochastic theory of ionic channels
• Synaptic integration and spike generation
• Dynamics of spiking networks and population dynamics
• Primary visual cortex and processing of visual information
• Models of plasticity, growth and maturation

Models of biological learning and control:

• Reinforcement learning
• Adaptive Control
• Bayesian learning
• Structure learning

Literature:

A bibliography and web-links to complementary reading for each course day will be provided along with the slides of the lecture.

Simulation of Biological Neuronal Networks

Dozent: Prof. Dr. Stefan Rotter, Prof. Dr. Abigail Morrison
Zeit: 2 st, Block, 1 week (date will be announced)
Ort: Bernstein Center Freiburg, Lecture Hall (Hansastrasse 9a, 79104 Freiburg)
Beginn: t.b.a.
Registration for this course by email to danica.subally@biologie.uni-freiburg.de

Programme:

This course covers the fundamentals of simulating networks of single-compartment spiking neuron models. We start from the concepts of a point neuron and then introduce more complex topics such as phenomenological models of synaptic plasticity, connectivity patterns and network dynamics.

Literature:

See http://www.nest-initiative.org/ for some general information and an online tutorial on the BNN simulator NEST.

Strong-field physics and attosecond spectroscopy

Dozent: Prof. Dr. Giuseppe Sansone
Zeit: 4 st, Mo, Di 10-12
Ort: SR II
Übung: 1 st, Mi 9-10
Beginn: 24.04.2017

Programme:

Interaction of atoms and molecules with intense laser fields (20 hour):

• Introduction and Keldysh parameter (2 hours)
• Processes occurring in intense laser fields (4 hours)
• Theoretical description of strong-field physics with low-frequency fields (8 hours)
• Theoretical description of strong-field physics with high-frequency fields (6 hours)
  
   

Generation and application of extreme ultraviolet radiation and X-ray pulses (14 hours):

• Properties of XUV radiation generated by HHG (6 hours)
• XUV pulses generated by Free Electron Lasers (6 hours)
• Transport, focusing and characterization of XUV radiation (2 hours)
  
   

Generation and characterization of few-cycle laser pulses (14 hours):

• Hollow-fiber compressor (2 hours)
• Optical parametric amplification (4 hours)
• Temporal characterization (4 hours)
• Carrier-envelope phase of ultrashort pulses (4 hours)
  
   

Attosecond spectroscopy (12 hours):

• Time-resolved photoelectron spectroscopy (4 hours)
• Photoion spectroscopy (2 hours)
• Coincidence spectroscopy (2 hours)
• Transient absorption spectroscopy (2 hours)
• High-harmonic spectroscopy (2 hours)
   

Total: 60 hours

Theory of Liquids and Soft Materials

Dozent: Prof. Dr. Tanja Schilling
Zeit: 3 st., Di, Mi 8-10
Ort: SR I
Übungen: 2 st., n.V.
Beginn: 25.04.2017

Programme:

The course gives an introduction to liquid state theory as well as basic topics of soft matter physics (liquid crystals, emulsions and polymers). The materials properties of these systems are generally dominated by thermal fluctuations, strong and non-linear response. Thus the theoretical frame-work will be set in the context of classical statistical mechanics.

Prerequisits:

Mechanics, Statistical Mechanics, Thermodynamics

Literature:

Lecture notes will be provided.
In addition, J.P. Hansen, I. MacDonald "Theory of Simple Liquids" and P. Chaikin, T. Lubensky "Principles of Condensed Matter Physics" will be useful.

Astronomisches Praktikum

Dozent: Prof. Dr. Wolfgang Schmidt
Zeit: 4 st., Kompaktkurs Ende Juli / Anfang August
Vorbesprechung: 03.05.2017, 9:15 Uhr, HS II
Termin: n.V.
Ort: Schauinsland-Observatorium des KIS
Maximale Teilnehmerzahl: 8
Veranstaltungs link

Programm:

Das Astronomische Praktikum findet im SoSe 2015 erstmals als Kompaktkurs statt, zu Beginn der vorlesungsfreien Zeit. Alle Versuche werden im Observation Schauinsland des KIS durchgeführt.
Das Programm umfasst

• Bestimmung der Magnetfeldstärke in Sonnenflecken
• Messung der Sonnenrotationsgeschwindigkeit
• Bildrekonstruktionsverfahren
• Photometrie von Sternhaufen
• Einführung in die digitale Datenverarbeitung

Die Anleitungen sind auf der Vorlesungsseite des KIS abrufbar.
 

Vorkenntnisse:

Vorlesung "Einführung in die Astrophysik"
 

Einführende Literatur:

Dynamical Systems in Biology

Dozent: Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit: 4 st., Mi, Do 12-14
Ort: SR I
Beginn: 26.04.2016
Übungen: Mi 14-16, CIP-Pool II

Programme:

• Numerical integration of differential equations
• Mathematical biology
• Population models
• Hodgkin-Huxley model
• Turing model
• Enzyme kinetics
• Systems biology
• Metabolism
• Signal transduction
• Gene regulation  

Prerequisits:

Basics of Analysis and Linear Algebra
 

Literature:

• J.D. Murray. Mathematical Biology, Springer

Quantum Transport

Dozent: PD Dr. Michael Walter
Zeit: Fr 14-16
Ort: SR II
Beginn: 28.04.2017
Übung: 14-tägig, 2-st n.V.

Programme:

Transport properties are highly relevant for many technological applications like electronics (transport of electrons) or solar cells (separation of positive and negative charge carriers generated by light). In contrast to classical flow or diffusion, quantum properties -- such as the wave nature of a quantum particle, tunneling or the quantization of energy levels -- become relevant on microscopic scales and make quantum transport different from classical transport based on Newton's equations.

In this lecture, I will present an explicit description of an electronic device at the atomic scale, with the aim to arrive at a single molecule transistor, which is very likely to be the basis of future electronics. The system is completely characterized and the energy levels of contacts and the isolated molecule are known. We develop the formalism to describe the conductance of such a device during the course. On our way we will also touch semi-classical descriptions of transport based on Marcus theory relevant for organic electronics.

Preliminary Program:

1. Atomistic view of conductance (energy levels, quantum of conductance)
2. Basis functions and band structure (basis functions, tight-binding, subbands)
3. Hopping, Marcus description
4. Density matrix, Green function, spectral functions
5. Open systems (level broadening, lifetime)
6. Coherent transport (transmission, Landau-Büttiker formalism)
7. Non-coherent transport and Ohm's law

Quantum Information

Dozent: PD Dr. Thomas Wellens
Zeit: Fr 12-14
Ort: SR GMH
Beginn: 05.05.2017
lecture link

Preliminary Programme:

1. Basic principles of quantum mechanics
2. Classical information theory
3. Entangled states
4. Quantum teleportation
5. Quantum cryptography
6. Quantum computing
7. Decoherence and quantum error correction

Prerequisits:

Theoretical Physics III (Quantum mechanics)
 

Literature:

• M. A. Nielsen and I. L Chang, Quantum Computation and Information, Cambridge University Press (2000)
• D. Bruß, Quanteninformation, Fischer Kompakt, Frankfurt (2003)

Term Paper: Coherent Spectroscopy

Dozenten: Prof. Dr. Frank Stienkemeier, Dr. Katrin Dulitz


Programme:

Coherent spectroscopy deals with the observation of interferences between wavefunctions of coherently excited atoms and molecules. In this term paper, we will cover various experimental techniques that have been developed to study coherent processes in the physical sciences, encompassing wavepacket spectroscopy, spin and photon echo phenomena, quantum beats and multidimensional techniques.