Kommentare Wintersemester 2023/24

Vorkurs Mathematik

Dozent: Dr. Christof Bartels
Zeit: Blockveranstaltung ganztägig, vor Vorlesungsbeginn: Mo 02.10., Mi 04.10.-Fr 06.10.2023 (4 Tage)
Vorlesung: täglich 9-12
Übungen: nachmittags 14-17 in Gruppen
Ort: Großer HS Physik (Herrmann-Herder-Str. 3) - Lageplan

Der Kurs ist ganztägig und besteht aus Vorlesung und Rechenübungen.
Registrieren Sie sich für den Kurs auf https://kosmic.uni-freiburg.de/goto_ilias_crs_8156.html ("Vorkurs Mathematik des Physikalischen Instituts").
 

Programm:

Auffrischen mathematischer Grundkenntnisse:
Rechnen, Ableiten, Integrieren, Analytische Geometrie und Lineare Algebra
 

Vorkenntnisse:

keine
 

Wissenschaftliches Programmieren

Dozent: Dr. Michael Böhler
Zeit: 2 + 2 st., Di 10-12
Ort: HS Rundbau
5 ECTS
Beginn: 17.10.2023
ILIAS

Programm:

Einführung in das wissenschaftliche Programmieren am Beispiel der mächtigen Programmiersprache Python unter Verwendung von Jupyter notebooks. Der Kurs behandelt die Grundlagen bis hin zu numerischen Problemen mit "numeric python", dem Grafikpaket "pylab/matplotlib", numerische Integration und das symbolische Rechnen mit "sympy".
 

Voraussetzungen:

Bei Verwendung eines eigenen Rechners (empfohlen) empfiehlt sich folgende Software zu installieren:

• jupyter notebook (http://jupyter.org) mit Python3. Dieses ist im Anaconda-Paket (https://www.anaconda.com) enthalten.

Einführende Literatur:

• Hans Petter Langtangen, A Primer on Scientific Programming, Springer Heidelberg, 2014, ISBN 978-3-642-54959-5
• https://scipy-lectures.github.io/

Mathematik II für Studierende der Physik

Dozent: Prof. Dr. Tanja Schilling
Zeit: 4 st., Mi, Fr 12-14
Ort: HS I
9 ECTS
Beginn: 18.10.2023
ILIAS

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:

Inhalte der Grundvorlesungen Analysis I, Lineare Algebra I, Mathematik I für Studierende der Physik
 

Einführende Literatur:

Experimentalphysik I
(Mechanik, Gase und Flüssigkeiten)

Dozent: Prof. Dr. T. Schaetz
Zeit: 4 + 2 st., Mi 10-12, Do 11-13
Ort: Gr. HS
8 ECTS
Beginn: 18.10.2023
ILIAS

Programm:

• Kinematik des Massenpunktes und Newtonsche Mechanik:
  Gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegung, Newtonsche Gesetze, Inertialsysteme, Galilei Transformation, kinetische und potentielle Energie, Impuls
• Mechanik starrer und deformierbarer Körper:
  Schwerpunkt, Trägheitsmomente, Steinerscher Satz, Haft-/Gleitreibung
• Schwingungen und Wellen:
  Erzwungene und gedämpfte Schwingung, Resonanz, gekoppelte Oszillatoren, Ausbreitung von Wellen, stehende Wellen, Akustik
• Gase und Flüssigkeiten:
  Kinetische Gastheorie, Geschwindigkeitsverteilung, Druck, Hydrostatik, Strömungen, Kontinuitätsgleichung
• Wärmelehre und Thermodynamik:
  Wärmekapazität, Wärmetransport, innere Energie, Erster Hauptsatz der Thermodynamik, ideales Gas, adiabatische Zustandsänderung, Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, Entropie, Carnot Prozess, Aggregatzustände

Vorkenntnisse:

Schulphysik und -mathematik, Inhalte des Vorkurs Mathematik (Skript online)
 

Einführende Literatur:

• Gerthsen, Physik, Springer-Verlag
• Tipler, Physik, Spektrum Verlag 
• W. Demtröder, Experimentalphysik 1, Mechanik und Wärme, Springer-Verlag
   

Experimentalphysik III
(Spezielle Relativitätstheorie, Optik und Quantenphysik)

Dozent: Prof. Dr. F. Stienkemeier
Zeit: 4 + 2 st., Di, Mi 8-10
Ort: Gr. HS
7 ECTS
Beginn: 17.10.2023
ILIAS

Programm:

Die Vorlesung Experimentalphysik III vermittelt die experimentellen Grundlagen im Bereich der Optik, Atom- und Quantenphysik.

Folgende Themen werden behandelt:

• Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie: Inertialsysteme, Lorentz- Transformation, Zeitdilatation, Längenkontraktion
• Fortgeschrittene Optik: Polarisation von Licht, Doppelbrechung, Polarisa- tionsoptik, Gaußsche Strahlen, optische Resonatoren, Laser, Grundlagen der nicht-linearen Optik
• Quantenphysik: Quantenphänomene, Unschärferelation, Schrödinger-Gleichung, Axiome der Quantenmechanik, Bahn-Drehimpulse, Wasserstoffatom
• Struktur einfacher atomarer Systeme, Periodensystem, Wechselwirkung Licht-Materie

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I und II
 

Einführende Literatur:

Experimentalphysik V
(Kern- und Elementarteilchenphysik)

Dozent: Prof. Dr. M. Schumacher
Zeit: 4 st., Di 10-12, Do 12-14
Ort: Do HS I
7 ECTS
Beginn: 17.10.2023
ILIAS

Programm:

• Grundlagen von Streu- und Zerfallsprozessen
• Eigenschaften stabiler Atomkerne
• Zerfälle instabiler Kerne
• Streuprobleme
• Kernmodelle
• Einführung zu Elementarteilchen
• Symmetrien und Wechselwirkungen
• Das Quarkmodell
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Quantenchromodynamik
• Elektroschwache Wechselwirkung
• Neuste Ergebnisse vom LHC

Vorkenntnisse:

Physik I-IV, Quantenmechanik

Literatur:

• T. Mayer-Kuckuck, Kernphysik, Teubner Verlag;
• J. Bleck-Neuhaus, Elementare Teilchen, Springer Verlag;
• Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Teilchen und Kerne, Springer Verlag;
• D. Griffiths, Einführung in die Elementarteilchenphysik, Akademie Verlag.

Theoretische Physik II
(Elektrodynamik)

Dozent: Prof. Dr. J. Dzubiella
Zeit: 4 + 2 st., Di 12-14, Do 10-12
Ort: HS I
7 ECTS
Beginn: 17.10.2023
ILIAS


Programm: 

• Elektrostatik
• Magnetostatik
• Elektromagnetische Wellen, Optik
• Elektrodynamik und Relativitätstheorie

Vorkenntnisse:

Analysis für Physiker, Lineare Algebra, Theoretische Physik I
 

Literatur:

• R. Jelitto, Elektrodynamik, Aula Verlag, Wiesbaden
• D.J. Griffiths, Elektrodynamik: Eine Einführung, Pearson
• T. Fließbach, Elektrodynamik, Spektrum
• J. D. Jackson, Klassische Elektrodynamik, de Gruyter
   

Theoretische Physik IV
(Statistische Physik)

Dozent: Prof. Dr. A. Buchleitner
Zeit: 4 + 2 st., Mo 10-12, Mi 8-10
Ort: HS I
8 ECTS
Beginn: 16.10.2023
ILIAS

Programm: 

• Grundlagen der theoretischen Thermodynamik. Postulate und Hauptsaetze der Thermodynamik, thermodynamische Potenziale, Legendre-Transformationen; thermische und kalorische Zustandsgleichung, Maxwell-Relationen, einfache Beziehungen zwischen Materialgrößen; speziell die Zustandsgrößen und Beziehungen beim freien Gas. Zyklische Prozesse, Wirkungsgrad.
• mikroskopische Beschreibung von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen (Gesamtheiten).
• Freie Quantengase: Bose-Gas, Fermi-Gas bei tiefen Temperaturen, Photonen (Planck'sche Strahlungsformel), Phononen, thermodynamische Freiheitsgrade.
• Einführung in die Theorie der Phasenübergänge, Landau-Theorie des Phasenübergangs, kritische Exponenten.

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I-III, Analysis und Lineare Algebra
 

Anforderungen:

Für die Studienleistung zur Übung sind 50% der Übungspunkte erforderlich.
Die Prüfungsleistung besteht aus der Abschlussklausur.
 

Einführende Literatur:

• W. Greiner, L. Neise, H. Stöcker. Thermodynamik und Statistische Mechanik
• W. Nolting, Theoretische Physik 6: Statistische Physik
   

Einführung in die Astrophysik

Dozent:Dr. Rolf Schlichenmaier
Zeit: 3 st., Mi 10-13
Ort: HS II
Übungen: 2 st. n.V.
Beginn: 18.10.2023

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 

Quantencomputer

Dozent: PD. Dr. Thomas Wellens (Fraunhofer IAF)
Zeit: 2 st., Fr 10-12
Ort: HS II
Übung; 2 st.
6 ECTS
Beginn: 20.10.2023
ILIAS

Programm:

Quantencomputer haben das Potential, bestimmte Rechenaufgaben effizienter als klassische Computer zu lösen. Die Vorlesung vermittelt einen Einblick in die auf quantenmechanischen Gesetzen basierende, grundlegende Funktionsweise eines Quantencomputers und erklärt für mögliche Anwendungen geeignete Quantenalgorithmen (z.B. zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme in der Quantenchemie, Logistik oder Finanzmathematik).

• Wiederholung der quantenmechanischen Grundlagen: Quantenzustände und Operatoren, Qubits, Verschränkung, Messprozess, Dekohärenz
• Funktionsweise eines gatterbasierten Quantencomputers: Quantenschaltkreise, Quantengatter, Universalität von 1- und 2-Qubit-Gattern, Simulierbarkeit durch klassische Computer
• Quantenalgorithmen: Grover-Suchalgorithmus, Shor-Algorithmus zur Faktorisierung großer Zahlen, Variational Quantum Eigensolver, Quantum Approximate Optimization Algorithm
• Physikalische Realisierungen: Supraleiter, Ionenfallen, Halbleiter-basierte Spin-Qubits

Vorkenntnisse:

Lineare Algebra (Quantenmechanik empfehlenswert)
 

Literatur:

• Nielsen, M., Chuang, I. (2010): Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press
• Hidary, J. (2019): Quantum Computing: An Applied Approach, Springer
• https://qiskit.org/textbook

Seminar Physik: Interpretationen der Quantentheorie

Dozenten: apl Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Zeit:
Ort:
4 ECTS

We will discuss various aspects of the interpretation of the quantum mechanical formalism, including

• the standard statistical interpretation,
• alternative interpretations which are compatible with the predictions of quantum theory, and
• modifications of quantum theory which lead to measurable violations of quantum theory.

Themen (vorläufig):

1. Environment-induced decoherence and emergence of classicality

2. Entangled quantum states: EPR and Bell non-locality

3. Von Neumann’s theorem and Gleason’s theorem

4. Quantum contextuality and Kochen-Specker theorem

5. Bohmian mechanics

6. Everett’s relative state formulation of quantum mechanics (many-worlds interpretation)

7. Quantum Bayesianism (QBism)

8. Modifying the quantum dynamics: Stochastic collapse models

Seminar Physik: Das dunkle Universum

Dozenten: Prof. Dr. Marc Schumann, apl Prof. Dr. Horst Fischer
Zeit:
Ort:
4 ECTS
ILIAS

Dunkle Materie und Dunkle Energie machen zusammen 95% des Energieinhalts des Universums aus, dennoch weiss man bislang sehr wenig über sie. In diesem Seminar betrachten wir die astronomischen und kosmologischen Hinweise auf beide Phänomene und diskutieren experimentelle Suchen nach möglichen Teilchen der Dunklen Materie.
 

Mögliche Themen:

• Astronomische Hinweise auf Dunkle Materie
• Supernovae IIA und Dunkle Energie
• Axionen + LSW
• Urknall und kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)
• Weakly Interacting Massive Particles: WIMPs
• Experiment - Beschleuniger: LHC
• Experiment - Cryogene Edelgase: XENON
• Experiment - Helioskope: CAST
• Experiment – Satelliten: FERMI
• Experiment: Beamdump Experimente (SHiP)
• Experiment -- Szintillatoren: DAMA/LIBRA, Modulation
• Baryonische Dunkle Materie: MACHOs
• Primoriale Schwarze Löcher als Dunkle Materie

Seminar Physik: Ultrakurz und ultraintensiv: Experimente mit neuartigen Lichtquellen

Dozenten: apl Prof. Dr. Bernd von Issendorff, Dr. Lukas Bruder
Zeit:
Ort:
4 ECTS
ILIAS

Fachdidaktik I: Einführung in die Fachdidaktik für Studierende des Gymnasiallehramts

Dozent: Prof. Dr. Martin Schwichow (Pädagogische Hochschule)
Zeit: 2 st., Di 14:00-15:30
Ort: PH KG 3, Raum 111
Beginn: 17.10.2023
Link-LSF
 

Die Vorlesung richtet sich an Studierende im Polyvalenten 2-HF Bachelor und Lehramt GymPO.

Für die Teilnahme an der Lehrveranstaltung ist es unbedingt erforderlich, dass Sie 1) einen PH-Account beantragen und 2) bis zum Beginn des Semesters dem ILIAS-Kurs „Einführung in die Physikdidaktik (FD I, Phy 470)“ für die Veranstaltung beitreten. Um dem Kurs beizutreten, müssen Sie sich mit Ihrem PH-Account in das PH-ILIAS einloggen und dort die Aufnahme beantragen. Falls Sie noch keinen PH-Account besitzen, müssen Sie diesen über HISinOne beantragen. Eine Anleitung hierzu finden Sie unter folgendem Link: https://www.face-freiburg.de/studium-lehre/im-studium/uni-lv-finden/. Bitte beantragen Sie den PH-Account zeitnah, da das Verfahren einige Tage dauern kann und der Account für die erfolgreiche Teilnahme an der Veranstaltung unabdingbar ist.

Bei Fragen zur Veranstaltung wenden Sie sich bitte an Herrn Schwichow martin.schwichow@ph-freiburg.de.

Kontextorientierung und Physik im Alltag

Dozent: Prof. Dr. Martin Schwichow & Dozenten des Physikalischen Instituts
Zeit: 2 st., Do 14:15-15:45
Ort: SR GMH
Beginn: 19.10.2023

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.

Fachdidaktik der Physik der Kursstufe

Dozent: Dr. Jens Wilbers (Pädagogische Hochschule)
Zeit: 2 st., Mo 12:00-13:30
Ort: PH KG 3-111
Beginn: 16.10.2023
Link-LSF

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.

Für die Teilnahme an der Lehrveranstaltung ist es unbedingt erforderlich, dass Sie 1) einen PH-Account beantragen und 2) bis zum Beginn des Semesters dem ILIAS-Kurs „PHY 630 Didaktik der Modernen Physik/Didaktik der Kursstufe“ für die Veranstaltung beitreten. Um dem Kurs beizutreten, müssen Sie sich mit Ihrem PH-Account in das PH-ILIAS einloggen und dort die Aufnahme beantragen. Falls Sie noch keinen PH-Account besitzen, müssen Sie diesen über HISinOne beantragen. Eine Anleitung hierzu finden Sie unter folgendem Link: https://www.face-freiburg.de/studium-lehre/im-studium/uni-lv-finden/. Bitte beantragen Sie den PH-Account zeitnah, da das Verfahren einige Tage dauern kann und der Account für die erfolgreiche Teilnahme an der Veranstaltung unabdingbar ist.

Bei Fragen zur Veranstaltung wenden Sie sich bitte an Herrn Dr. Wilbers jens.wilbers@ph-freiburg.de .

Physik in biologischen Systemen für Lehramt

Lecturer:Dr. C. Scheppach
Time: 2 + 2 st., Mo 16-18
Room: SR I
5 ECTS
Start: 16.10.2023
ILIAS

Program:

Wir werden uns aus physikalischer Sicht mit verschiedenen biologischen Systemen beschäftigen, überwiegend aus dem Bereich der Neurowissenschaften. Wiederkehrende Leitthemen sind der Zugang über dynamische Systeme (d.h. die Modellierung der biologischen Situation durch Systeme von Differenzialgleichungen), sowie die Fourier-Analysis.

Die Vorlesung richtet sich v.a. an Lehramtstudierende des Master of Education und fortgeschrittene Studierende des polyvalenten Bachelor. Dementsprechend sind die Themen so ausgewählt, dass Bezüge zum Physik-Bildungsplan fürs Gymnasium hergestellt und auch fachdidaktische Fragen angesprochen werden können. Zweitens werden Möglichkeiten für fachübergreifenden Unterricht (Biologie, Musik, Chemie) aufgezeigt. Drittens soll es um wissenschaftliche, technologische und gesellschaftliche Fragen gehen, mit denen man als Physik-Lehrkraft konfrontiert wird.

Dr. Scheppach arbeitet als Lehrer für Physik, Mathematik, NWT und Informatik an einem Gymnasium in Baden-Württemberg.

Themenliste:

• Thermodynamik: Entropie, Wärmekraftmaschinen, Wärmepumpe, Enthalpie, Diffusionsgleichgewicht, Nernst-Gleichung, Ruhepotential bei Neuronen
• Akkustik und Gehörphysiologie: Obertöne, Klangfarben, Fourier-Analysis, Stimmungssysteme (pythagoräisch, gleichstufig, wohltemperiert), Gehörphysiologie, Tuningkurven
• Optik: Fraunhofer-Beugung, Faltung, Spektroskopie, Röntgenstrukturanalyse, 3D-Struktur von DNA und Proteinen
• Visuelles System: Physiologie des Auges, visuelle Rezeptorzellen, Tuningkurven, Farbwahrnehmung und -darstellung
• Dynamische Systeme: einfache Beispiele, numerische Lösung, Lotka-Volterra Räuber-Beute-Modell
• Elektronik und Elektrophysiologie: Operationsverstärker, elektronische Schaltungen, Spannungsklemme, Patch-clamp, Ionenkanäle
• Neurowissenschaften: Ionenkanäle und ihre Modellierung, Markov-Ketten, Hodgkin-Huxley-Modell des Aktionspotentials, numerische Simulation, weitergeleitetes Aktionspotential

Literatur:

• Reif: Fundamentals of Statistical and Thermal Physics
• Hille: Ion Channels of Excitable Membranes
• Moore: An Introduction to the Psychology of Hearing
• Hecht: Optics
• Kandel et al.: Principles of Neural Science
• Murray: Mathematical Biology Horowitz,
• Hill: The Art of Electronics
• Sakmann, Neher: Single-Channel Recording
• Koch: Biophysics of Computation
• Dayan, Abbott: Theoretical Neuroscience

Advanced Quantum Mechanics

Lecturer: Prof. Dr. M. Thoss
Time: 4 + 3 st., Mi, Fr 10-12
Room: HS I
10 ECTS
Start: 18.10.2023
ILIAS

Program:

• Recapitulation of basic quantum mechanical principles
• Approximation methods
• Theory of angular momentum
• Many-particle systems
• Dynamics of quantum systems
• Relativistic quantum mechanics

Prerequisites

Theoretical Physics I-IV

Literature:

• J.J. Sakurai, Modern Quantum Mechanics
• F. Schwabl, Quantum Mechanics
• W. Greiner, Quantum Mechanics: An Introduction
• C. Cohen-Tannoudji, Quantum Mechanics 1+2
• D. J. Tannor, Introduction to Quantum Mechanics

Theoretical Quantum Optics

Lecturer: Dr. Gabriel Dufour, Prof. Dr. A. Buchleitner
Time: 4 + 2 st., Mi, Do 14-16
Room: HS II
9 ECTS
Start: 18.10.2023
Tutorials: n.V.
ILIAS


Program:

1. Introduction
2. Quantum mechanics
   Hilbert space, operators, states, Schrödinger-, Heisenberg- and interaction picture
3. Quantized electromagnetic field
   classical field, quantisation, coherent states, squeezed states, phase space representation, field correlations, photon counting statistics
4. Light-matter interaction: general overview
   emission, absorption, scattering, multi-photon processes, radiation corrections, interaction induced by photon exchange 
5. Coherent interaction of a two-level atom with a single field mode
   Bloch representation, Jaynes-Cummings model, Rabi oscillations, dressed states
6. Incoherent interaction of a two-level atom with the electromagnetic continuum
   master equation, spontaneuous emission, optical Bloch equations, quantum regression theorem, resonance fluorescence

Prerequisits:

Theoretical Physics I - IV
 

Literature:

• 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
• R. J. Glauber, Quantum theory of optical coherence

Classical Complex Systems

Lecturer: Prof. Dr. G. Stock
Time: 4 + 2 st., Mo 10-12, Mi 12-14
Room: SR I
9 ECTS
Start: 16.10.2023
Tutorials: n.V.
ILIAS
 

Programme:

Complex systems are composed of many interacting or reacting elements with stochastic components and are found essentially everywhere, ranging, for example, from dense liquids in condensed matter physics to molecular reactions in chemistry and biology, up to macroscopic predator-prey populations, pandemic spreading and markets in economics. This lecture introduces selected statistical tools and numerical approaches to study and describe the physics of the complex phenomena in classical (non-quantum) many-body systems, with a particular focus on the mesoscale modeling of macromolecular liquids, their structure-property relations, diffusive processes and kinetics, and applications to molecular reactions and nonlinear systems. After an introduction to the statistical mechanics of interacting systems and stochastic processes, generally applicable statistical theories such as Langevin and Master equation approaches as well as basic computational strategies such as Monte-Carlo (MC) and Brownian Dynamics (BD) simulations will be discussed. The lessons are accompanied by analytical as well as numerical exercises. The latter provide a hands- on implementation of the stochastic (MC and particle-based reaction-diffusion) simulation methods, with applications to structure and dynamics of interacting systems as well as (molecular) reaction kinetics.
 

Prerequisits:

Basic knowledge in programming (C, C++, Python) as well as statistical mechanics
 

Literature:

• Lecture notes (on ILIAS)
• K. A. Dill and S. Bromberg, Molecular Driving Forces
• R. Zwanzig: Nonequilibrium Statistical Mechanics
• N.G. van Kampen: Stochastic processes in Physics and Chemistry
• M. P. Allen and D. J. Tildesley. Computer Simulation of Liquids. 3Rd edition (2017)
• Smit & Frenkel, Understanding Molecular Simulations
• J.P. Hansen, I.R. McDonald "Theory of Simple Liquids" (digital access is available through the library)

Quantum chromodynamics and collider physics

Lecturer: Prof. Dr. Stefan Dittmaier, Dr. M. Pellen
Time: 4 + 2 st., Di, Do 10-12
Room: HS II
Start: 17.10.2023
lecture link


Content:

• Quantization of field theories via functional integrals
• Perturbation theory and Feynman diagrams
• Gauge theories and their quantization
• BRS symmetry and Slavnov-Taylor identities
• Gauge theory of strong interaction (quantum chromodynamics)
• Quantum corrections and renormalization
• renormalization group equations
• Jet production in e+e- annihilation
• Parton model for hadronic particle reactions
• Parton distribution function and DGLAP evolution
• Deep inelastic elektron-nucleon scattering
• Quantum corrections to the Drell-Yan process

Prerequisits:

Quantum mechanics, electrodynamics and special relativity,
recommended: Introduction into relativistic quantum field theory
 

Literature:

• Böhm/Denner/Joos: "Gauge Theories of the Strong and Electroweak Interaction"
• Cheng/Li: "Gauge Theory of Elementary Particle Physics"
• Collins: "Renormalization"
• Dissertori/Knowles/Schmelling: "Quantum Chromodynamics"
• Ellis/Stirling/Webber: "QCD and Collider Physics"
• Itzykson/Zuber: "Quantum Field Theory"
• Muta: "Foundations of Quantum Chromodynamics"
• Peskin/Schroeder: "An Introduction to Quantum Field Theory"
• Sterman: "Quantum Field Theory"
• Weinberg: "The Quantum Theory of Fields, Vol.1: Foundations"
• Weinberg: "The Quantum Theory of Fields, Vol.2: Modern Applications"

Particle Detectors

Lecturer: Prof. Dr. K. Jakobs, Dr. O. Kuprash
Time: 4 + 2 st., Di 8-10, Mi 12-14
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 18.10.2023
ILIAS

Programme:

In this lecture the principles of particle detection, the basic measurement concepts and technical realisations are presented. After the discussion of individual detector components and detection principles, complete, large-scale detector systems in particle and astro-particle physics are discussed. In addition, some selected applications in medical imaging and other areas are presented.

Topics:

• Basic interactions of charged and neutral particles
• Measurement of ionisation
• Position and momentum measurements
• Time measurements
• Energy measurement in calorimeters
• Particle identification
• Detector systems in particle and astro-particle physics
• Selected applications in other areas
   

Prerequisits:

Bachelor studies, Experimental Physics V (Nuclear and Particle Physics)
 

Literature:

• H. Kolanoski und N. Wermes, Teilchendetektoren, Springer Verlag
• K. Kleinknecht, Detectors for Particle Radiation, Cambridge University Press, 2nd edition (2008)
• W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Verlag
• C. Grupen, Teilchendetektoren, BI Wissenschaftsverlag

Advanced Atomic and Molecular Physics

Lecturer: Prof. Dr. G. Sansone
Time: 4 st., Di, Do 10-12
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 17.10.2023
ILIAS

Program:

(0)  Atomic energy levels

• one-electron atoms, two-electron atoms, many-electron atoms
• fine structure, hyperfine structure
• Zeeman effect, Stark effect
   

(1)  Molecular energy levels

• electronic, vibrational and rotational states of diatomic and polyatomic molecules
• molecular Rydberg states
   

(2)  Molecular spectroscopy

• time-resolved vs frequency-resolved spectroscopy
• molecular transitions and selection rules
• measurable quantities in spectroscopy
• applications of group theory to molecular spectroscopy
   

(3)  Atomic and molecular interactions and collisions

• interatomic and intermolecular interactions
• basic concepts of collision theory
• probing molecular structure in collision experiments
   

(4)  Modern techniques in atomic and molecular physics

• ultracold atoms: laser cooling, Bose Einstein condensation
• optical lattices and atomic clocks
• cold molecules
• trapping of atoms, molecules and ions

Prerequisits:

Experimental Physics I-IV
 

Literature:

• W. Demtröder, Atoms, Molecules and Photons
• P. Atkins, Molecular Quantum Mechanics
• I. V. Hertel and C.-P. Schulz, Atoms, Molecules and Optical Physics Vol. 1+2

Advanced Particle Physics

Lecturer: PD Dr. K. Köneke
Time: 4 + 2 st., Mo, Di 10-12
Room: Mo SR GMH, Di SR I
9 ECTS
Start: 16.10.2023
ILIAS

Program:

• Introduction
  (recapitulation of notation, relativistic kinematics, natural units, particle content of Standard Model, forces, Feynman diagrams, conservation laws)
• The electromagnetic interaction: Quantum electrodynamics (QED)
  (QED as first local gauge theory, gauge principle, Lagrangian formulation, renormalisation, running coupling, experimental tests)
• The strong interaction: Quantum Chromodynamics (QCD)
  (QCD as non abelian gauge theory, phenomenology, experimental tests)
• From the weak interaction to the electroweak Standard Model
  (parity violation, CP violation, electroweak „unification“, phenomenology, experimental tests)
• The Brout-Englert-Higgs mechanism in the Standard Model
  (theory, phenomenology and experimental tests)
• Neutrino physics
  (masses, oscillations, Dirac vs. Majorana nature , theory and experimental status)
• Limitations of the Standard Model

Building on the knowledge acquired in the course Experimental Physics V (Kerne und Teilchen), the Standard Model of particle physics is discussed in detail. The fundamental concepts, the phenomenological consequences, and experimental tests are presented. Students will also learn how to evaluate simple Feynman diagrams. Limitations of the Standard Model, which motivate the search for extensions will be discussed at the end. The lectures are complemented by exercises, including computer simulations, with the aim to provide a solid foundation in experimental particle physics.
 

Prerequisits:  Experimentalphysik V, Kern- und Teilchenphysik

Literature:

• F.Halzen und A.D.Martin, Quarks & Leptons, Wiley-Verlag.
• P. Schmüser, Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker, Springer-Verlag.
• D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley-VCH-Verlag.
• M. Thomson, Modern Particle Physics, Cambridge University Press.

Advanced Condensed Matter I: Solid State Physics

Lecturer: Prof. Dr. O. Waldmann
Time: 4 + 2 st., Mo 12-14, Mi 14-16
Room: Mo HS II, Mi SR I
9 ECTS
Start: 16.10.2023
Tutorials: n.V.
ILIAS

Program:

• Atomic structure of matter
• lattice dynamics, phonons
• electronic structure of materials
• optical properties
• magnetism/superconductivity

Prerequisits:  Experimentalphysik I-III

Literature:

• tba

Dynamical Systems in Biology

Dozent: Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit: 4 st., Di 12-14, Do 14-16
Ort: Di SR I, Do HS I
Beginn: 17.10.2023
Übungen: n.V.
ILIAS

Programme:

The physically motivated mathematical modelling of the dynamics of biological systems provides a mean to turn the typically rather qualitative field of biology quantitative and predictive. While the well established area of Mathematical Biology investigates simple systems, the young field of Systems Biology considers the behavior of complex networks. In this lecture, we will discuss the biological basics of selected models and their mathematical and physical properties.

Preliminary Programme:

Mathematical Biology

• Populationdynamics
• Models of neurons
• Pattern formation
• Enzym dynamics
   

Systems Biology

• Metabolic Networks
• Signal transduction cascades
• Gene regulation

Prerequisits:

Basics of Analysis and Linear Algebra
 

Literature:

• J.D. Murray. Mathematical Biology, Springer
• J. Keener, J. Sneyd: Mathematical Physiology
• L. Alberhina, H.V. Westerhoff: Systems Biology
• E. Klipp et al.: Systems Biology in Practice

Cosmology

Dozent: JProf. Dr. Stefan Vogl
Zeit: 2 + 1 st., Mo 12-14
Ort: SR I
Beginn: 16.10.2023
lecture-link

Program:

• Geometry and Dynamics of the smooth Universe
• Thermal history and origin of matter
• Cosmological perturbation theory
• Structure formation and CMB
• Inflation (optional)

Prerequisits:

Special Relativity, Thermodynamics, basic knowledge of General Relativity helpful but not required
 

Literature:

• S. Dodelson: "Modern Cosmology", Academic Press, 2003
• Lecture Notes by D. Baumann, http://cosmology.amsterdam/education/cosmology/
• For the advanced reader: S. Weinberg: "Cosmology", Oxford University Press, 2008

Grundlagen der Halbleiterphysik / Fundamentals of Semiconductors & Optoelectronics

Dozent: Prof. Dr. Andreas Bett, apl. Prof. Dr. Joachim Wagner, Dr. Stefan Janz (Fraunhofer ISE)
Zeit: 3 st., Fr 8-10
Ort: SR GMH
Übung; Fr 10:15-11:30, SR A, FMF, Stefan-Meier-Str. 21
5 ECTS
Beginn: 20.10.2023
ILIAS

Programme:

• Inorganic crystalline semiconductor materials (such as Si and GaAs)
• Fabrication of bulk semiconductor crystals and epitaxial layers
• Electronic band structure, tight-binding vs. nearly free electron approach
• Effective mass of electrons and holes, n- and p-type doping
• Density of states, statistics of electrons and holes • Electrical transport by electrons and holes, electric fields and currents
• Quantization effects in semiconductors, quantum films and superlattices
• p-n-junction, photodiode, light emitting diode (LED), diode laser

Preliminaries/Previous knowledge:

Solid-state physics and theoretical physics at the level of a BSc in Physics
 

Literature:

• H. Ibach, H. Lüth, „Festkörperphysik" (Springer, 2009)
• K. Seeger, „Semiconductor Physics“ (Springer, 2004)
• P. Yu, M. Cardona, „Fundamentals of Semiconductors“ (Springer, 2010)

Photovoltaic Energy Conversion / Photovoltaische Energiekonversion

Dozent: Dr. Uli Würfel, Prof. Dr. Andreas Bett
Zeit: 2 st., Di 8-10
Ort: SR GMH
Übungen: nach Vereinbarung (1 st.)
5 ECTS
Beginn: 24.10.2023

Program:

• 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 /Halbleiter- bzw. Festkörperphysik von Vorteil

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

Polymer Theory

Dozent: PD Dr. Michael Walter
Zeit: 2 st., Fr 14-16
Ort: SR GMH
4 ECTS
Beginn: 20.10.2023

Program:

Polymer science has a long history at the University of Freiburg, where most prominently Herrmann Staudinger revolutionized the understanding of Polymers as large macro-molecules for which he received the Nobel price in Chemistry 1953. Polymers are present everywhere is our life starting from the DNA in our cells up to the plastic wrapping around nearly everything we purchase.

The goal for understanding of polymeric behavior and properties is an interdisciplinary endeavor that has several aspects interesting for physicists. The course will introduce the basic theoretical concepts for modeling and simulation of polymers and their properties.

Prerequisits:

Theoretical physics and statistical physics on the level of a late BSc in Physics

Literature:

• G. Strobl, The Physics of Polymers, Springer (2007)
• M. Rubinstein, R. H. Colby, Polymer Physics, Oxford (2003)
• P. C. Hiemenz, T. R Lodge, Polymer Chemistry, CRC Press (2007)

Physics of Medical Imaging Methods

Lecturer: Prof. Dr. Michael Bock
Time: 2 + 1 st., Do 12-14
Room: Room "Big Green", Uniklinik, Killianstr. 5a
5 ECTS
Start: 19.10.2023
Tutorials: n.V.
ILIAS

Program:

Medical imaging is becoming increasingly important in the detection of disease, in the management of the patients, and in the monitoring of a therapy. In this lecture the physical basics of different medical imaging technologies will be presented, and different clinical application scenarios will be discussed. The following topics will be addressed:

• overview over the physics of medical imaging
• Magnetic Resonance Imaging (MRI)
  • magnetisation, Bloch equations, relaxation times T1 and T2
  • spin gymnastics and image contrast
  • magnets, gradients and radio-frequency coils
  • quantitative MRI
  • functional MRI, flow, diffusion, perfusion measurements
• Nuclear Medicine
  • principles of radio-tracer detection
  • scintigraphy
  • single photon emission computed tomography (SPECT)
  • positron emission tomography (PET)
• ultrasound (US)
  • sound generation and propagation in tissue
  • US imaging
  • Doppler US
  • therapeutic applications of US (Lithotrypsy)
• X-ray Imaging
  • properties and generation of X-rays
  • fluoroscopy
  • computed tomography
  • image reconstruction from projections
• role of medical imaging in
  • the detection of disease
  • in patient management
  • therapy monitoring

Literature:

• Oppelt A: Imaging Systems for Medical Diagnostics
• Dössel O: Bildgebende Verfahren in der Medizin: Von der Technik zur medizinischen Anwendung

Theory and Modeling of Materials: Solid State Magnetism

Lecturer: apl Prof. Dr. Christian Elsässer
Time: 2 + 1 st., Fr 8-10
Room: SR I
5 ECTS
Tutorials: Do 8-10, SR I
Start: 20.10.2023
Exercises: approx. bi-weekly 2 hours on appointment (1 SWS)

ECTS points: 3 (three) for attendance of lectures only; 3+2 (five) for attendance of lectures, participation in exercises, and final oral exam.
 

Program:

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

The course in the present semester deals with theoretical models and computational methods for understanding and calculating magnetic properties of materials:

• Solid-state magnetism, magnetic orders in crystals, and intrinsic properties of magnets.
• Itinerant electrons and magnetic phases of transition metals – electron-gas models based on the density functional theory.
• Localized moments and magnetic properties of rare-earth and transition-metal compounds – magnetism and thermodynamics of spin models (Heisenberg, Ising, XY).
• Microstructures and macroscopic properties of magnets.

Prerequisits: 

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

Literature:

• J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials, Cambridge (2009)
• P. Mohn, Magnetism in the Solid State – An Introduction, Springer (2006)
• J. Kübler, Theory of Itinerant Electron Magnetism, Oxford (2009)
• H. Kronmüller and M. Fähnle, Micromagnetism and the Microstructure of Ferromagnetic Solids, Cambridge (2003)

Biophysik: Grundlagen und Konzepte

Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 + 2 st., Di 14-16:30
Ort: IMTEK Geb. 102, SR 01-012
7 ECTS
Beginn: 17.10.2023
Tutorials: Di 16-18, IMTEK Geb. 102, SR 01-012
ILIAS


Programm:

Biophysik ist wahrscheinlich der Zweig der Physik, der das größte Zukunftspotenzial in den nächsten 50 Jahren birgt. Wie das? Biophysik beschreibt das Verhalten lebender Materie, welcher in ihrer Komplexität durch nichts in dieser Welt übertroffen ist. Allein das Verhalten einer einzelnen lebenden Zelle in den nächsten Jahrzehnten zu verstehen, erfordert weltweit und zunehmend Physiker und Ingenieure, die mit einer Vielzahl an modernsten Untersuchungs­methoden primär im Bereich der Optik (bis hinunter zu Einzelphoton-Analysen) und Nanotechnologie arbeiten und diese mit gewaltigen mathematisch-theoretischen Konzepten und aufwändigen Computersimulationen kombinieren. Biologische Prozesse und Messungen sind stets im Bereich von Unschärfen und Energiefluktuationen, welche nur mit physikalischen Konzepten analysiert und interpretiert werden können. Das geht natürlich nicht ohne die brillanten Vorarbeiten von Biologen und Bio-(Chemikern).

Die Vorlesung stellt Grundlagen und moderne Konzepte der Biophysik und der Physik der weichen Materie dar. Zahlreiches Anschauungsmaterial wird mit mathematischen Konzepten der statistischen Mechanik vorgestellt - im Ortsraum wie im Frequenzraum. Makroskopische, Ingenieur­wissenschaftliche Konzepte werden hinuntertransformiert auf die molekulare Ebene.

Die Vorlesung (3 ECTS) richtet sich an Physiker und Ingenieure im Masterstudium. Der Vorlesungsstoff wird mit wöchentlichen Übungen (zusätzlich 3-4 ECTS) veranschaulicht und gefestigt.

Inhaltsverzeichnis:

1. Aufbau der Zelle oder Das Rezept für biophysikalische Forschung
   • Eine Einführung
   • Die Bausteine des Lebens
   • Modellerstellung in der Biologie durch Schematisierung
   • Bewegung in einer überdämpften Welt
   • Kurztrip durch die Zellbiologie
2. Diffusion und Fluktuationen
   • Brownsche Bewegung
   • Diffusion im externen Potential
3. Mess- und Manipulationstechniken
   • Optische Abbildung und Konfokale Mikroskopie
   • Fluoreszenzmikroskopie
   • Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET)
   • Particle Tracking
   • Optische Pinzetten
   • Rasterkraftmikroskopie
   • Röntgenbeugung und NMR-Spektroskopie
4. Biologisch relevante Kräfte
   • Einführung und Übersicht
   • Van der Waals Kräfte
   • Elektrostatische Wechselwirkung
   • Entropische Wechselwirkungen
5. Biophysik der Proteine
   • Einleitung und Motivation
   • Die Struktur der Proteine
   • Proteinfaltung
6. Polymerphysik einzelner Filamente
   • Einleitung und Motivation
   • Die Balkentheorie
   • Polymere als biegsame Federn
7. Visko-Elastizität und Mikro-Rheologie
   • Motivation und Hintergrund
   • Elastizität und Viskosität
   • Retardierte Partikelbewegung und Antwortfunktion
   • Mikro-Rheologie
8. Die Dynamik des Zytoskeletts
   • Einleitung und Motivation
   • Struktur der Zytoskelett-Filamente
   • Mathematische Modelle der Zytoskelett-Polymerisation
   • Kraftentfaltung durch Polymerisation
9. Molekulare Motoren
   • Rotations- und Translationsmotoren
   • Struktur der Translations-Motoren
   • Motorgeschwindigkeiten und Schrittweiten
   • Myosin-Motoren in einem zellulären Teilsystem
   • Motorenorganisation mit dem Zytoskelett
10. Membran-Biophysik
    • Aufbau und Struktur der Membrane
    • Elastische Eigenschaften der Membrane
11. Anhang
    • Anhang: Wichtige Zellorganellen
    • Anhang: Ausgewählte Probleme

Einführende Literatur:

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

Physics of Microscopy and Image Formation

Lecturer: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Time: 3 + 2 st., Mi 9-12
Room: SR II/III
7 ECTS
Start: 18.10.2023
ILIAS

Program:

1. Microscopy: History, Presence and Future
   • History
   • Present and Future Tasks
   • Literature
2. Wave- and Fourier-Optics
   • What is Light?
   • The change of Light in Matter
   • Helmholtz equation and plane waves
   • Wave functions in space and frequency domain
   • Superposition of waves: Interference and Coherence
   • Fourier-Optics
   • Wave propagation and diffraction
3. Three-dimensional optical imaging and information transfer
   • Imaging through lenses
   • Optical image formation – a spatial low-pass filtering
   • Optical resolution and optical transfer function
   • Coherent and incoherent imaging
   • Vectorial light focusing
   • Aberrations of the Point-Spread Function
4. Contrast enhancement by Fourier-filtering
   • Image formation with phase objects
   • Phase contrast according to Zernike
   • Dark field microscopy and amplitude spatial filters
   • Generating contrast by polarization
   • Holographic microscopy
5. Fluorescence - Basics and Techniques
   • Definitions and principles of light scattering
   • Fluorescence excitation und emission
   • Decay rates and fluorescence lifetime
   • Fluorescence Polarisation and Anisotropy
6. Point scanning and confocal microscopy
   • Image formation with point- and area-detectors
   • Confocal microscopy
   • 4pi Microscopy
7. Microscopy in thick media
   • Photon diffusion in strongly scattering media
   • Light Sheet Microscopy
   • Microscopy with holographic scan beams
   • Lattice light-sheet microscopy
8. Nearfield and Evanescent Field Microscopy
   • The spectrum of near fields and far fields
   • Nearfield Scanning Optical Microscopy (NSOM)
   • Evanescent illumination and TIR- Microscopy
9. Super-resolution by structured illumination
   • Modulated illumination to increase resolution
   • Structured illumination for axial sectioning
10. Multi-Photon-Microscopy
    • Basics of nonlinear optics
    • Two-photon fluorescence microscopy
    • Second Harmonic Generation-Microscopy
    • CARS microscopy
11. Super-resolution imaging by switching single molecules
    • Position tracking
    • STED-Microscopy
    • PALM and STORM
    • Super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI)
12. Appendix
    • Signal and Noise
    • Survey about super resolution microscopy

About the lecture:
A microscope is not only one of the oldest measurement devices in physics, but modern microscopy systems also include a large spectrum of quantum effects, of single photon and single wave effects, and long-range correlation effects. This lecture re-introduces the necessary Fourier mathematical foundations and discusses physical principles and techniques used in modern photonic imaging.

The student can either visit a (2+1) Module (lecture+tutorial) obtaining 5 ECTS points or a (3+2) lecture obtaining 7 ECTS points.
 

Goals:
The student should learn how to guide waves an photons through optical systems, how optical information can be described very advantageously by three-dimensional transfer functions in Fourier space, how phase information can be transformed to amplitude information to generate image contrast. Furthermore, one should realize that wave diffraction is not reducing the information, but also how to circumvent the optical resolution limit. The student should learn to distinguish between coherent and incoherent imaging, learn about modern techniques using self-reconstructing laser beams, two photon excitation, fluorophores depletion through stimulated emission (STED) or multi-wave mixing by coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS). The lecture has an ongoing emphasis on applications, but nevertheless presents a mixture of fundamental physics, compact mathematical descriptions and many examples and illustrations. The lecture aims to encompass the current state of a scientific field, which will influence the fields of nanotechnology and biology/medicine quite significantly.

In the tutorials the contents of the lecture will be strengthened and consolidated. In particular transfer thinking will be trained. The students must work on the weekly distributed exercises and then present the results in class after one week. The solutions of the more difficult exercises might be presented by the tutor.
 

Prerequisits:

Literature:

Complex Networks

Lecturer: Dr. Mirko Schäfer (INATECH)
Time: 2 + 2 st., Mi, Do 10-12
Room: Technische Fakultät (IMTEK), R 03 026 (G.-Köhler-Allee 051)
6 ECTS
Start: 18.10.2023
HISinOne

Program:

• The language of graph theory
• Random graphs, small world and scale-free networks
• Centrality measures
• Economic and financial networks
• Network components and the configuration model
• Transport, contagion and diffusion processes on networks
• Network aspects of the electricity system (power flows, representation of the transmission grid in electricity markets, flow tracing and emission accounting,...)

Literature:

• A.L. Barabási, Network Science, available at networksciencebook.com
• M. Newman, Networks: An Introduction, Second Edition, Oxford University Press, 2018
• Further literature will be announced in class

Biophysics of cardiac function and signals

Lecturer: Dr. Viviane Timmermann, Prof. Dr. Peter Kohl
Time: 2 + 2 st., Fr 14-16
Room: Technische Fakultät (IMTEK), SR 03-026, Geb. 051
6 ECTS
Start: 20.10.2023
Tutorials: 2 st. n.V., Mi 16-18
ILIAS

Program:

The basic concept of this lecture is to examine a biological system, analyse it and define mathematical equations in order to describe the system. In this lecture, the heart is used as this system. The students learn the electrical and mechanical function of the heart and its modelling. Additionally, the bioelec-trical signals that are generated in the human body are described and how these signals can be measured, interpreted and processed. The content is explained both on the biological level and based mathematical modelling.

• Cell membrane and ion channels
• Cellular electrophysiology
• Conduction of action potentials
• Cardiac contraction and electromechanical interactions
• Optogenetics in cardiac cells
• Numerical field calculation in the human body
• Measurement of bioelectrical signals
• Electrocardiography
• Imaging of bioelectrical sources
• Biosignal processing

Prerequisits: 

Basic interest in biology and computational modelling. Knowledge in Matlab or Python are beneficial

Literature:

• lecture slides

Term Paper: Interpretations of Quantum Mechanics

Lecturer: apl Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Time:
6 ECTS
Start:

We will discuss various aspects of the interpretation of the quantum mechanical formalism, including

• the standard statistical interpretation,
• alternative interpretations which are compatible with the predictions of quantum theory, and
• modifications of quantum theory which lead to measurable violations of quantum theory.

Topics (preliminary):

1. Environment-induced decoherence and emergence of classicality

2. Entangled quantum states: EPR and Bell non-locality

3. Von Neumann’s theorem and Gleason’s theorem

4. Quantum contextuality and Kochen-Specker theorem

5. Bohmian mechanics

6. Everett’s relative state formulation of quantum mechanics (many-worlds interpretation)

7. Quantum Bayesianism (QBism)

8. Modifying the quantum dynamics: Stochastic collapse models
 

Term Paper: When Physics meets Biology

Lecturer: Prof. Dr. Jens Timmer, Prof. Dr. G. Stock, PD Dr. Steffen Wolf
Time:
6 ECTS
Start:

Content:

At first glance, Physics and Biology seem to be well separated in terms of studied objects as well as scientific approaches. However, Physics can provide scientific answers to biological questions such as how cells communicate via chemical signals, how proteins as clusters of condensed soft matter perform their function, and the emergence and rationalization this function from atomic dynamics.

Within the framework of this Term Paper, students will gain knowledge about classical and cutting-edge approaches in biological physics such as modeling of biological networks via differential equations, dimensionality reduction and Master equation approaches for biological big data analysis, and computational approaches for the prediction of protein dynamics from their atomistic structures.

Term Paper: Key Experiments in Particle Physics

Lecturer: Prof. Dr. K. Jakobs, Prof. Dr. M. Schumacher
Time:
6 ECTS
Start:

Potential Topics:

• Discovery of neutral currents (Z boson)
• Precision measurements at LEP
• Physics of the W and Z bosons (discovery, present status)
• Physics of the top quark (discovery, present status)
• Discovery of the Higgs boson
• Observation of Higgs couplings to fermions
• Discovery of neutrino oscillations (solar, atmospheric)
• CP violation (Kaon system)
• CP violation (B meson system)

Term Paper: Advanced Topics in Quantum Mechanics and Quantum Field Theory

Lecturer: Prof. Dr. S. Dittmaier, JProf. Dr. S. Vogl
Time: Do 14-16, SR II/III
6 ECTS
Start:

Potential Topics:

• Majorana vs. Dirac fermions
• sterile neutrinos and seasaw mechanism
• neutrino masses and neutrino oscillations
• supersymmetric quantum mechanics
• Wigner theorem
• quantum-mechanical scattering theory (phase shift, effective range, applications)
• anomalous magnetic moment of leptons
• vacuum decay and metastability of the universe
• Euler-Heisenberg Lagrangian
• etc.