Kommentare Sommersemester 2022

Mathematik I für Studierende der Physik

Dozent: Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit: 4 st., Mo 12-14, Di 14-16
Ort: HS I
9 ECTS
Beginn: 25.04.2022
ILIAS


Programm:

• Topologien im Rn
• Ableitung (mehrkomponentiger) Funktionen, auch in mehreren Variablen, Ableitungsregeln
• Taylor-Entwicklung
• Gewöhnliche Differentialgleichungen
• Koordinatensysteme, speziell Polar-, Zylinder- und Kugelkoordinaten
• Integration (mehrkomponentig), Wegintegration, Flächen- und Volumenintegration, Gauß‘scher und Stokes’scher Satz
• Symmetrische Bilinearformen: Orthogonalbasen, Sylvester'scher Trägheitssatz
• Euklidische und Hermitesche Vektorräume: Skalarprodukte, Kreuzprodukt, Gram'sche Determinante
• Gram-Schmidt-Verfahren, orthogonale Transformationen, (selbst-) adjungierte Abbildungen, Spektralsatz, Hauptachsentransformation
• Affine Räume
• Fourier Analyse
• Distributionen

Vorkenntnisse:

Inhalte der Grundvorlesungen Analysis I und Lineare Algebra I
 

Einführende Literatur:

Experimentalphysik II (Elektromagnetismus und Optik)

Dozent: Prof. Dr. Frank Stienkemeier
Zeit: 4 st., Mo, Mi 10-12,
Ort: Großer HS
6 ECTS
Beginn: 25.04.2022
ILIAS

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: Prof. Dr. Oliver Waldmann
Zeit: 4 st., Di 12-14, Do 8-10
Ort: Großer HS
7 ECTS
Beginn: 26.04.2022
ILIAS


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, Do 10-12
Ort: HS I
7 ECTS
Beginn: 26.04.2022
ILIAS
 

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, Do 12-14
Ort: HS I
8 ECTS
Beginn: 25.04.2022
ILIAS

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

Experimentelle Methoden

Dozent: apl. Prof. Dr. Horst Fischer
Zeit: 2 st., Mo 14-16
Übung: 3 st. (Wahlpflichtbereich), 2 st. (BOK)
Ort: HS I
7 ECTS (Wahlpflichtbereich)
5 ECTS (BOK Vorlesung)
Beginn: 25.04.2022
ILIAS

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.

Seminar Physik: Molekülphysik an Großforschungsanlagen

Dozenten: Dr. Lukas Bruder, Dr. Katrin Erath, Prof. Dr. Tobias Lau, apl. Prof. Dr. Bernd von Issendorff
Zeit: 2 st,
4 ECTS
ILIAS

Programm:

Großforschungsanlagen bieten in Kombination mit modernen Messtechniken eine Vielzahl von neuartigen Möglichkeiten die Struktur und die Dynamik von Molekülen in der Gasphase und in Aggregaten zu untersuchen und besser zu verstehen. In diesem Seminar werden einige dieser Großforschungsanlagen, z.B. Synchrotrons und Freie-Elektronen-Laser, vorgestellt und es werden einige wegweisende Experimente diskutiert, die u.a. zum Verständnis von Strahlenschäden sowie von chemischen Prozessen im Weltall beitragen.

Vorbesprechung unseres Seminars Montag, 02.05., um 16:00 Uhr, Seminarraum AG Stienkemeier, 5. OG Hochhaus der Physik
 

Themen: (Überarbeitung und Ergänzung in Vorbereitung)

1. Synchrotrons: Aufbau, Funktionsweise, Möglichkeiten für Molekülphysik-Experimente
   Einführende Literatur:
2. Freie-Elektronen-Laser: Aufbau, Funktionsweise, Möglichkeiten für Molekülphysik-Experimente
   Einführende Literatur: Ullrich et al., Free-Electron Lasers: New Avenues in Molecular Physics and Photochemistry, Annu. Rev. Phys. Chem., 63, 635-656 (2012).
3. Verständnis chemischer Prozesse im Weltall: Messung der rekombinativen Dissoziation von Molekülkationen an Synchrotrons
   Einführende Literatur: Science 365, 676 (2019).
4. Verständnis von Molekülaggregaten: Messung der Energieverteilung in Molekülanionen an Synchrotrons
   Einführende Literatur: PRL 120, 253001 (2018).
5. Kühlung von Molekülkationen durch Schwarzkörperstrahlung in Synchrotrons
   Einführende Literatur: PRL 119, 023202 (2017).
6. Bestimmung der Zeitskalen für Photoelektronenemission an Synchrotrons
   Einführende Literatur: Nature Communications 12, 6657 (2021).
7. Echtzeitbeobachtung von Wasserstoffbrückenbindungen in Wassermolekülen durch Streuung mit ultraschnellen Elektronen Einführende Literatur: Nature 596, 531 (2021).
8. Kohärente Kontrolle an Freie-Elektronen-Lasern
   Einführende Literatur: K. C. Prince et al., Nat Photon 10, 176 (2016).
9. Ultraschnelle molekulare Prozesse beobachten mit zeitaufgelöster extrem ultravioletter Photoelektronenspektroskopie Einführende Literatur: S. Pathak et al., Nat. Chem. 12, 795 (2020).
10. Untersuchungen zur Umlagerung chemischer Bindungen an Freie-Elektronen-Lasern
    Einführende Literatur: Jiang et al., Ultrafast extreme ultraviolet induced isomerization of acetylene cations, Phys. Rev. Lett. 105:263002 (2010).
11. Echtzeit-Beobachtung von Wellenpaketen an Freie-Elektronen-Lasern
    Einführende Literatur: Jiang et al., Investigating two-photon double ionization of D2 by XUV-pump–XUV-probe experiments, Phys. Rev. A 81:051402 (2010).
12. Strahlenschäden verstehen: Zeitaufgelöste Messung der Fragmentation von Wassermolekülen durch Röntgenstrahlung an Freie-Elektronen-Lasern
    Einführende Literatur: Jahnke et al., Inner-Shell-Ionization-Induced Femtosecond Structural Dynamics of Water Molecules Imaged at an X-Ray Free-Electron Laser, Phys. Rev. X 11, 041044 (2021).
13. Infrarotspektroskopie mit IR-Freie-Elektronen-Laser zur Strukturbestimmung von molekularen Komplexen
    Einführende Literatur: Jaeqx, S et al., Gas-Phase Peptide Structures Unraveled by Far-IR Spectroscopy: Combining IR-UV Ion-Dip Experiments with Born–Oppenheimer Molecular Dynamics Simulations. Angew. Chem. Int. Ed., 53: 3663-3666. (2014).
     

Seminar Physik: Coole, elegante und überraschende Lösungen in der Theoretischen Physik

Dozenten: Prof. Dr. Tanja Schilling, Dr. Fabian Glatzel
Zeit: 2 st, Mo 8-10
4 ECTS

Themen:

Einführung in die Moderne Digitalelektronik

Dozent: apl. Prof. Dr. Horst Fischer
Zeit: 2 st., Mo-Fr 10-12
Ort: SR I
Übungen: Mo-Fr 14-16, CIP Pool II
5 ECTS
Blockkurs: 01.08.-12.08.2022

Programm:

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)

Einführung in Maschinelles Lernen - Introduction to Machine Learning

Dozent:Prof. Dr. Markus Schumacher
Zeit: 4 st., Mi, Do 14-16
Ort: HS I
Übungen: n.V.
Beginn: 27.04.2022

Programme:

You will learn the task and basic principles of machine learning, in particular of supervised ML and examples of unsupervised ML You will learn how to train methods of ML, how to avoid overfitting and how to optimize the alogorithms. You will apply the different methods of ML to basic problems using Jupyter notebooks.

Course content:

• Overview of machine learning tasks: regression, classification, simulation, anomaly detection.
• Overview of basic principles: loss function and minimization, bias-variance-de-composition, overtraining and regularisation, hyperparameters
• Overview of ML algorithms: linear methods, ensemble methods / trees, neural net-works (deep fully connected, convolutional, recurrent, generative adversarial,
• Linear methods: linear regression, logistic regression, linear discriminant analysis, RIDGE and LASSO
• Ensemble methods: bagging, boosting, Boosted Trees, Random Forests.
• Fully connected networks: error-back-propagation, training, dropout, L2 regulari-sation, optimisation of network architecture and choice of features.
• Convolutional and recurrent networks.
• Networks for simulations tasks: Autoencoders, Generative adversarial networks, ...
• Networks for anomaly detection

Previous knowledge:

Basic knowledge in linear algebra, analysis and statistical data analysis

Literature:

see ILIAS
 

Vorkurs Einführung in Programmieren mit Python

Dozent:Dr. Michael Böhler
Zeit: Blockveranstaltung ganztägig, Vorlesungsbeginn: Mi 20.04 - Fr. 22.04
Vorlesung: täglich 9-12
Übungen: nachmittags 13-16
Ort: HS I
ILIAS

Der Vorkurs findet unter Einhaltung der Hygiene- und Abstandsregelungen in Präsenz im Hörsaal I der Physik statt. Der Kurs ist ganztägig und besteht aus Vorlesung und Programmierübungen.

Registrieren Sie sich bitte für den Kurs auf https://ilias.uni-freiburg.de/goto.php?target=crs_2549509&client_id=unifreiburg ("Vorkurs Einführung in Programmieren mit Python des Physikalischen Instituts").

Programm:

Vermittlung von Programmiergrundkenntnisse:
Grundideen der Softwareentwicklung, Variablen, Funktionen, Schleifen, einfache Datentypen (Strings, Tuples, Listen, Dictionaries), Umgang mit Dateien, Modulen, Exceptions und Grundlagen der Objektorientierten Programmierung

Vorkenntnisse:

keine
 

Einführende Literatur:

• Das Python-Tutorial
• How to Think Like a Computer Scientist (EN)

Ausgewählte Kapitel der modernen Physik

Dozent: apl. Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit: 2 st., Do 16-18
Ort: HS II
Übungen: 2 st. n.V.
5 ECTS
Beginn: 28.04.2022
ILIAS

Programm:

Diese Vorlesung richtet sich in erster Linie an Lehramtsstudierende der Physik. Sie kann als Wahlpflichtvorlesung im Master of Education gehört werden oder auch im Bachelor als Spezialvorlesung, falls Mathematik das zweite Hauptfach ist. Inhaltlich deckt diese Vorlesung einige Themen ab, die im normalen Curriculum nicht oder nur am Rande behandelt werden, die aber für zukünftige Lehrer*Innen relevant sind, entweder weil sie im Rahmenlehrplan der Oberstufe vorgesehen sind oder aber zur Motivation der Schüler*Innen beitragen können.
Programm (Auswahl):

• Standardmodell der Kosmologie
• elementare Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie
• elementare Einführung in die Astrophysik
• Halbleiter und Photovoltaik, etc.
• Bildgebende Verfahren in der Medizin
• Physik des Klimas

Vorkenntnisse:

Man sollte die Exp I-III sowie die Theo I und II erfolgreich gehört haben. Literatur wird in den jeweiligen Vorlesungsstunden bekannt gegeben. Es soll parallel zur Vorlesung ein Skript erstellt werden.
 

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: 26.04.2022

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

Kompakte Fortgeschrittene Theoretische Physik

Dozent: Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit: 4 st., Di, Do 12-14
Ort: SR I
7 ECTS
Beginn: 26.04.2022
ILIAS
 

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:

Fachdidaktik 2: Diagnostizieren und Fördern im Physikunterricht

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

Beginn: 25.04.2022
ILIAS

Bitte treten Sie zur Anmeldung für die Veranstaltung dem folgenden Kurs im PH ILIAS bei:
https://ilias.ph-freiburg.de/goto.php?target=crs_874693_rcodeAuw4ZbJ3Am&client_id=phfr

Sie benötigen dafür einen PH Account. Hier wird beschrieben, wie sie diesen beantragen können:
https://www.face-freiburg.de/studium-lehre/im-studium/uni-lv-finden/

Die Veranstaltung wird nur im Sommersemester angeboten. Studierende, welche noch nicht die Veranstaltung Fachdidaktik 1 besucht haben, können trotzdem an dieser Veranstaltung teilnehmen.

Fachdidaktik der Physik der Kursstufe

Dozent: Dr. Jens Wilbers (Pädagogische Hochschule)
(Veranstaltung der Pädagogischen Hochschule)
Zeit: 2 st., Mo 12-14
Ort: PH KG 3-111
Beginn:
Link-LSF

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.

Die Veranstaltung „Fachdidaktik der Physik der Kursstufe“ findet als Hybridveranstaltung sowohl mit Phasen der Anwesenheit als auch des Onlinelernens statt. Sie müssen sich daher montags von 12:15 Uhr bis 13:45 Uhr für die Teilnahme an der Veranstaltung freihalten.

Am Montag, den XX. XX, findet von 12:15 Uhr bis 13:45 Uhr eine verpflichtende Vorbesprechung in Raum 111 des KG 3 der PH Freiburg statt.

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 .

Theoretical Condensed Matter Physics

Lecturer: Prof. Dr. Joachim Dzubiella
Time: 4 + 2 st., Mi 10-12, Do 12-14
Room: HS II and and SR Westbau, 2.OG
Tutorials: n.V.
9 ECTS
Start: 27.04.2022
ILIAS

Program:

• Interactions and phase transitions
• Structure of solids and liquids
• Density Functional Theory
• Soft and charged condensed Matter
• Linear response theory

Prerequisits:

Theoretical Physics I-IV
 

Literature:

• C. Kittel, "Introduction to Solid State Physics"
• J.P. Hansen, I.R. McDonald, "Theory of Simple Liquids"
• P. Chaikin, T. Lubensky, "Principles of Condensed Matter Physics"

Complex Quantum Systems

Lecturer: apl. Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Time: 4 + 2 st., Mi, Do 12-14
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 27.04.2022
ILIAS

Program:

• Quantum states
Pure and mixed states, density matrices, quantum entropies
• Composite quantum systems
Tensor product, entangled states, partial trace and reduced density matrix
• Open quantum systems
Closed and open systems, dynamical maps, quantum operations, complete positivity and Kraus representation
• Dynamical semigroups and quantum master equations
Semigroups and generators, quantum Markovian master equations, Lindblad theorem
• General properties of the master equation
Pauli master equation, relaxation to equilibrium, correlation functions, quantum regression theorem
• Decoherence
Destruction of quantum coherence through interaction with an environment, decoherence versus relaxation
• Microscopic theory
System-reservoir models, Born-Markov approximation, microscopic derivation of the master equation
• Applications
Quantum theory of the laser, superradiance, quantum transport, quantum Boltzmann equation
• Non-Markovian quantum dynamics
Quantum memory effects, system-environment correlations, information flow, non-Markovian master equations

Prerequisites: Advanced Quantum Mechanics

Literature:

• H.-P. Breuer and F. Petruccione, The Theory of Open Quantum Systems (Oxford University Press, Oxford, 2007)
• M. Hayashi, Quantum Information (Springer, Berlin, 2006)
• M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, 2000)
• C. W. Gardiner, Quantum Noise (Springer, Berlin, 1991)
• R. Alicki and K. Lendi, Quantum Dynamical Semigroups and Applications (Springer, Berlin, 1987)

Introduction to Relativistic Quantum Field Theory

Dozent: Jun.-Prof. Dr. Stefan Vogl
Zeit: 4 st., Mo 14-16, Di 12-14
Ort: HS II
Übungen: Mi 14-16, HS II
9 ECTS
Beginn: 25.04.2022
ILIAS

Program:

• 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"
• Tung: "Group Theory in Physics"
• Weinberg: "The Quantum Theory of Fields, Vol.1: Foundations"
• Tung: "Group Theory in Physics"
• Ramond: "Field Theory: a Modern Primer"
• Tung: "Group Theory in Physics"
• Schwartz: "Quantum Field Theory and the Standard Model"

Computational Physics: Materials Science

Lecturer: Prof. Dr. Michael Mosler
Time: 4 h, Di, Do 10-12
Room: SR I
Tutorials: 2 h, n.V.
9 ECTS
Start: 26.04.2022
ILIAS

Program:

Application of computational simulation methods can help to discover or design new materials and investigate (microscopic) structure- (macroscopic) property relationships of a wide range of materials classes, such as metals, composites, nanostructures, ice/water, as well as polymers, surfactants, or colloidal dispersions. This course will introduce basic statistical concepts as well as programming and simulations techniques with particular focus on methods based on classical Hamiltonians spanning orders of length and time scales, such as Molecular Dynamics and coarse-grained Langevin Dynamics simulations. The students will become familiar with some examples for the different types of interatomic and coarse-grained potentials: e.g., Lennard-Jones, Born-Mayer, Embedded-Atom, (screened) Coulomb, Hamaker, etc. as well as bonded potentials for molecules and polymers. The course will consist of lectures and hands-on programming exercises and small projects, simulating mostly complex (interacting) fluids and molecules, using own written code.

Criteria for passing: For successfully completing the Studienleistung (SL), students must (i) obtain, at least, an average of 50% over all the tutorial sheets , (ii) not miss more than two tutorials (either digital or in presence), and (iii) present their results at least twice during the semester. The Prüfungsleistung consists of a written exam, and only the result of the written exam contributes to the Prüfungsleistung.

Prerequisits:

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

Literature:

• Script (will be available via ILIAS)
• Book: Understanding molecular simulation from algorithms to applications. D. Frenkel and B. Smit. AP Academic Press.
• Book: Computer simulation of liquids. M. P. Allen and D. J. Tildesley. Oxford University Press. 3rd edition (2017)
• Book: Richard Lesar, Computational Material Science, Cambridge University Press

Advanced Optics and Lasers

Lecturer: Prof. Dr. Giuseppe Sansone
Time: 4 + 2 st., Mi, Do 10-12
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 27.04.2022
ILIAS

Program:

In this course, we will discuss the principles of lasers and their application. We will start with the fundamentals of light-matter interaction and the basic principles of lasers. We will continue with a discussion of various laser types, ranging from narrow-bandwidth continuous wave lasers used for high-resolution spectroscopy, to ultrashort-pulsed lasers used to study nonlinear physics and light-induced dynamics on the nano- to femtosecond timescale. We will then discuss nonlinear optical phenomena such as nonlinear wavelength mixing, parametric conversion and their application in modern laser systems. Eventually, we will have an outlook on very recent laser developments. Examples are high harmonic generation, Free Electron Lasers or frequency combs.

The lecture will focus on experimental and some basic theoretical principles. The tutorials include problem sheets as well as practical exercises on different laser systems in our lab.
 

Summary of topics:

• Light-matter interaction
• Coherence and interference
• The laser principle
• Optical resonators
• Gaussian beam optics
• Ultra-short laser pulses
• Nonlinear optics and parametric amplification
• Recent laser developments

Prerequisits:

Experimental Physics I-IV
 

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 II
9 ECTS
Beginn: 28.04.2022
ILIAS

Program:

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

Lecturer: Prof. Dr. Karl Jakobs, Dr. Daniele Zanzi
Time: 4 st., Mo, Di 10-12
Room: SR GMH
Tutorials: Do 16-18, SR GMH
9 ECTS
Start: 25.04.2022
ILIAS

Program:

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 Program consists of:
- Lectures (4h per week)
- Exercises / tutorials (2 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

Lecturer: Prof. Dr. Marc Schumann
Time: 4 st., Do, Fr 10-12
Room: SR II/III
9 ECTS
Start: 28.04.2022


Program: 

• 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

Quantum Information Theory

Dozent: Prof. Dr. Andreas Buchleitner, Dr. Christoph Dittel
Zeit: 4 st., Mo 12-14, Do 14-16
Ort: HS II
Übungen: Mi 10-12, SR I
9 ECTS
Beginn: 25.04.2022

Program:

Certain information processing tasks can be performed more efficiently with quantum mechanical than with classical systems. Famous examples are Shor's quantum algorithm for factoring large integer numbers and quantum cryptography enabling secure communication between two parties. In this lecture, we will introduce fundamental concepts of quantum information theory (e.g. entangled states and quantum correlations) and discuss possible applications such as quantum teleportation or quantum computing.

1. Foundations of quantum information theory
   (Quantum state space, qubits, composite systems, tensor product, correlations and entanglement, quantum entropies)
    
2. Quantum cryptography
   (Quantum key distribution, BB84 protocol)
    
3. Quantum computation
   (Quantum gates, quantum circuit model, universal quantum gates, quantum algorithms: Shor, Grover)
    
4. Physical realizations
   (Trapped ions, cavities, NMR, squids, spintronics)
    
5. Quantum error correction
   (Quantum noise, quantum operations, quantum error correction, fault-tolerant quantum computation)

Prerequisits:

Theoretical Physics I-IV (B.Sc. Physik)
 

Literature:

Quantum Hardware

Dozent: Prof. Dr. Tobias Schaetz
Zeit: 4 st., Mo, Mi 14-16
Ort: SR GMH
Übungen: n.V.
9 ECTS
Beginn: 25.04.2022
ILIAS

Program:

• Introduction (qubit concept; entanglement)
• Quantum platforms: photons, cold atoms, ions, spins, SQUID
• Quantum sensing
• Potential applications: quantum computing; quantum simulations; cryptography

Prerequisits:

Experimental Physics I-IV (B.Sc. Physik)
 

Literature:

Quantum Transport

Dozent:PD Dr. Michael Walter
Zeit: Fr 14-16
Ort: SR GMH
Beginn: 29.04.2022
Übung: 14-tägig, 2-st, online

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 governed by 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.

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

Prerequisits:

Theoretical Physics III (Quantum Mechanics)
 

Literature:

• S. Datta, Quantum Transport: Atom to Transistor (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2005).

Theory and Modeling of Materials: Electronic structure theory of condensed matter II

Lecturer: apl Prof. Dr. Christian Elsässer
Time: 2 + 1 st., Fr 8-10
Room: SR I
5 ECTS
Start: 29.04.2022
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 two-semester course 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 and chemical properties of materials can be understood qualitatively and calculated quantitatively on a microscopic basis.

In the winter semester 2021/2022, the following theoretical concepts will be addressed: Free electron gas; electrons in a crystal; nearly free electrons ("energy bands") or tightly bound electrons ("chemical bonds"); electron-electron interactions and effective one-electron theories; first-principles density functional theory and semi-empirical approaches for electronic-structure calculations.

In the summer semester 2022, the concepts will be applied to study, e.g., the following topics: Cohesion of solids, bonding types and lattice structures of crystals; electron band structures and energy spectra; electronic transport; electrons and phonons; electronic properties of defects and dopants, surfaces and interfaces; ferroelectric and ferromagnetic materials.
 

Prerequisites:

B.Sc. Courses on Theoretical Physics I-IV


Literature:

• A. P. Sutton, Electronic Structure of Materials, Oxford (1993)
• D. G. Pettifor, Bonding and Structure of Molecules and Solids, Oxford (1995)
• M. W. Finnis, Interatomic Forces in Condensed Matter, Oxford (2003)
• R. M. Martin, Electronic Structure - Basic Theory and Practical Methods, Cambridge (2004)

Laser-based Spectroscopy and Analytical Methods

Dozent: PD Dr. Frank Kühnemann (Fraunhofer IPM)
Zeit: 2 + 1 st., Di 14-17
Ort: SR GMH
5 ECTS
Beginn: 26.04.2022

Program: 

Lasers did become a powerful tool for measurement applications in areas like industry, medicine, or environment. The current course focuses on the use of tuneable lasers to interrogate the spectral “fingerprints” of gases, liquids and solids for analytical purposes. Typical examples are air quality monitoring or process control in industry.

The lecture block in the first half of the course will give a comprehensive introduction into the following topics

• Infrared molecular spectra
• Tuneable lasers
• Spectroscopic techniques (absorption, photoacoustic spectroscopy, cavity-based methods)
• Background signals, noise and detection limits
   

The seminar talks in the second block will focus on the application of differ-ent spectroscopic methods for analytical tasks. At the start of the course, students will choose from a list of provided topics to prepare a talk and a short written summary. The preparation will be supported by topical literature and discussion sessions with the course staff. Duration of the talks will be appr. 30 minutes, followed by a discussion of content and presentation style.

Prerequisits:

Advanced Optics and Lasers (recommended)

Literature:

Nano-Photonics – Optical manipulation and particle dynamics

Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Di 13-16
Ort: SR II/III
7 ECTS
Beginn: 26.04.2022
ILIAS

Motivation:

You think basic research and applied research cannot be well combined? You think that directing a laser pointer beam into a droplet of coffee results in infinitely complex physics, but explaining the physics therein is not good for anything? You want to learn complex physics of technologies that is of social benefit? If yes, this lecture can be interesting to you!

In this lecture you will learn

- the direct relation from the Maxwell equations and the electromagnetic force density to optical forces and optical tweezers, which allowed to control molecular processes mainly in cellular biology and medicine

- how photons transfer momentum to microscopic objects and how scattered photons transfer information about the state of the objects. In particular coherent light can encode extremely much information about the state of small objects, which, driven by thermal forces, continuously change their position and orientation relative to their environment. All this can be directly measured through µs-nm particle tracking.

- how smallest probes can interact on a molecular scale with their environment, which can be analyzed by correlations of changes in the probe’s states. In this way, the interaction of probes with living cells gives new insights into cellular diseases. This includes not only bacterial and viral infections, but also exposure of particulate matter to lung cells.

Contents

• Introduction
• Light – Carrier of Information and Actor
• Microscopy und Light Focussing
• Light Scattering
• Manipulation by Optical Forces
• Particle Tracking beyond the Uncertainty Regime
• Thermal Motion and Calibration
• Photonic Force Microscopy
• Applications in Biophysics and Medicine
• Time-Multiplexing and holographic optical traps
• Applications in Micro- and Nano-Technology
• Appendix

Computational Neuroscience

Dozent: Prof. Dr. Stefan Rotter, Prof. Dr. Carsten Mehring
Zeit: 5 st
Ort: Bernstein Center Freiburg, Lecture Hall (Hansastrasse 9a, 79104 Freiburg)
Beginn:
Registration for this course by email to birgit.ahrens@biologie.uni-freiburg.de

Program:

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
Zeit: 2 st, Block, 1 week (date will be announced)
Ort: Bernstein Center Freiburg, Lecture Hall (Hansastrasse 9a, 79104 Freiburg)
Beginn:
Course-Link
Registration for this course by email to birgit.ahrens@biologie.uni-freiburg.de

Program:

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.

Term Paper: Cool, elegant and surprising solutions in theoretical physics

Lecturer: Prof. Dr. Tanja Schilling, Fabian Glatzel
Time: Do 8-10
Room:
6 ECTS
Start:

Program:

Term Paper: Hadron-Collider Physics

Lecturer: Prof. Dr. Gregor Herten, Dr. Andrea Knue
Time:
Room:
6 ECTS
Start:

Program:

Term Paper: When Physics meets Biology

Lecturer: Prof. Dr. Gerhard Stock, Prof. Dr. Jens Timmer
Time: Mo 15:30
Room: Seminar room, highrise, 10th floor
6 ECTS
Start: 23.05.2022
Link

Program: