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Kommentare Wintersemester 2020/21

Veranstaltungsbeschreibungen in deutsch und für englisch-sprachige Master-Veranstaltungen in englischer Sprache. Course descriptions in German and for English-taught Master courses in English.

 


Vorkurs Mathematik

Dozent: Dr. Andreas Härtel
Zeit: Blockveranstaltung ganztägig, vor Vorlesungsbeginn: Mo 19.10. - Fr 23.10.2020
Vorlesung: täglich 9-12
Übungen: nachmittgs 14-17 in Gruppen
Ort: Großer HS Physik (Herrmann-Herder-Str. 3) - Lageplan
Link: Kosmic

Programm:

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

Vorkenntnisse:

keine
 

Einführende Literatur:

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

 


Wissenschaftliches Programmieren

Dozent: PD Dr. Michael Walter
Zeit: 2 + 2 st., Di 10-12
Ort: HS I
Beginn: 03.11.2020

Programm:

Einführung in das wissenschaftliche Programmieren am Beispiel der mächtigen Programmiersprache Python. 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".


Weitere Bestandteile sind eine Einführung in "Mathematica" (symbolisches Rechnen) und die Python-Schnittstelle zu ROOT (root.cern.ch) "PyROOT".

 

Voraussetzungen:

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

 

Einführende Literatur:

 


Experimentalphysik I
(Mechanik, Gase und Flüssigkeiten)

Dozent: Prof. Dr. Günter Reiter
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Mi 10-12
Ort: Gr. HS
Beginn: 02.11.2020

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. Frank Stienkemeier
Zeit: 4 + 2 st., Di, Mi 8-10
Ort: Gr. HS
Beginn: 03.11.2020

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: Dr. Christian Weiser
Zeit: 4 + 2 st., Di 12-14, Mi 10-12
Ort: HS II
Beginn:

Programm:

  • Grundlagen von Streu- und Zerfallsprozessen
  • Struktur und Eigenschaften von Atomkernen, Kernmodelle und Kernzer- fälle
  • Teilchenbeschleuniger und Teilchendetektoren
  • Anwendungen der Kern- und Teilchenphysik
  • Symmetrien, Spektrum der Elementarteilchen, elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkung
  • Standardmodell der Teilchenphysik und seine Grenze

 

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I-IV


Einführende Literatur:

 


Analysis für Physiker

(Nur für Studierende im B.Sc. Physik nach Prüfungsordnung PO 2015)

Dozent: apl Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Zeit: 4 + 2 st., Di, Mi 8-10
Ort: HS I
Beginn: 03.11.2020


Inhalt: 

  • Grundlagen der Mengenlehre, Äquivalenz- und Ordnungsrelationen
  • Einführung in die komplexen Zahlen, Euler-Formel, Beziehungen zu trigo- nometrischen und hyperbolischen Funktionen.
  • Beweisverfahren
  • Funktionen, Umkehrfunktionen
  • Folgen, Grenzwerte, Cauchy-Grenzwert, offenen und geschlossene Mengen
  • Reihen, Konvergenzkriterien, Stetigkeit von Funktionen
  • Ableitung von (auch mehrkomponentigen) Funktionen, auch in mehreren Variablen, Ableitungsregeln
  • Koordinatensysteme, speziell Polar-, Zylinder- und Kugelkoordinaten.
  • ntegration, Integrationsregeln, Wegintegration, Flächen- und Volumenintegration, Gaußscher und Stokes’scher Satz

 

Vorkenntnisse:

Empfohlen werden die Inhalte des Vorkurs Mathematik (ein Skript ist über die Webseite verfügbar).
 

Einführende Literatur:

 


Theoretische Physik II
(Elektrodynamik)

Dozent: Prof. Dr. Harald Ita
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Do 10-12
Ort: HS I
Beginn: 02.11.2020


Programm: 

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

 

Vorkenntnisse:

Analysis für Physiker, Lineare Algebra, Theoretische Physik I
 

Literatur:

  • W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik 3: Elektrodynamik, Springer
  • 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. Joachim Dzubiella
Zeit: 4 + 2 st., Mo 12-14, Di 10-12
Ort: Online, Details werden bekannt gegeben
Beginn: 02.11.2020


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

 
 


Datenanalyse für Naturwissenschaftler/innen:
Statistische Methoden in Theorie und Praxis

Dozent: Prof. Dr. Markus Schumacher
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Di 14-16 (Di 14-tgl.)
Ort: HS I
Beginn: 02.11.2020

Programm:

Zur Einführung werden die Konzepte und Rechenmethoden der Statistik vorgestellt. Es werden die wichtigsten Wahrscheinlichkeitsverteilungen mit ihren Eigenschaften und Anwendungsbereichen diskutiert. Die "Monte-Carlo-Methode" zur Simulation von Zufallsereignissen wird besprochen.

Ein wichtiger Teil der Vorlesung behandelt die Parameterschätzung mit den Methoden der "Maximum Likelihood" und der "kleinsten Fehlerquadrate".

Im letzten Teil der Vorlesung geht es dann um den Test von statistischen Hypothesen, d.h. es wird erklärt, wie man die Signifikanz berechnet, mit der eine Hypothese akzeptiert oder zurückgewiesen wird. Außerdem wird besprochen, wie Konfidenzintervalle und Ausschlussgrenzen bestimmt werden.

Die Vorlesung wird von Übungen begleitet, in denen u. a. auch simulierte Datensätze mit dem Computer erzeugt und statistisch ausgewertet werden.
 

Vorkenntnisse:

Elementare Kenntnisse der Differential- und Integralrechnung.

 

Einführende Literatur:

  • Cowan, Statistical Data Analysis, Oxford Univ Press
  • Brandt, Datenanalyse: Mit statistischen Methoden und Computerprogrammen, Spektrum Akademischer Verlag
  • Barlow, Statistics: A Guide to the Use of Statistical Methods in the Physical Sciences, Wiley VCH
  • Blobel und Lohrmann, Statistische und numerische Methoden der Datenanalyse, Teubner Verlag

 


Seminar Physik: Ausgewählte Kapitel der Theoretischen Physik

Dozenten: Prof. Dr. Stefan Dittmaier
Zeit: 
Ort:

Programm:

-

 


Seminar Physik: Einführung in Maschinelles Lernen

Dozenten: Dr. Michael Böhler, Prof. Dr. Markus Schumacher
Zeit: 
Ort:

Programm:

-

 


Kontextorientierung und Physik im Alltag

Dozent: Professoren und Dozenten der PH und des Physikalischen Instituts
Zeit: 3 + 2 st., Do 14-16
Ort: SR III
Beginn: tba

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.
 

 

 


Advanced Quantum Mechanics

Lecturer: Prof. Dr. Michael Thoss
Time: 4 + 3 st., Mi, Fr 10-12
Room: HS I
Start: 04.11.2020


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

 


Introduction to General Relativity

Lecturer: Prof. Dr. Jochum van der Bij
Time: 4 + 3 st., Mo, Di 10-12
Room: SR I
Start: 02.11.2020
Tutorials: Fr 14-17, SR I

Program:

  • Equivalence principles: Minkowski space, Poincare group, space-time diagrams, world lines, proper time and distance, application to simple phenomena (elevator thought experiments, twin paradox, relativistic Doppler effect, accelerated systems), Lorentz transformations and general coordinate transformations.
  • Differential geometry: manifolds and tangent spaces, forms, metric tensor, integration, Stoke’s theorem, outer derivative, Lie derivative, covariant derivative and Christoffel symbols, parallel transport, geodesics, curvature (Riemann tensor, Weyl tensor, Ricci tensor and scalar), torsion, Killing vectors, Riemann coordinates.
  • Dynamics of the gravitational field: Einstein equations, cosmological constant, energy-momentum tensor of matter systems (perfect fluids, point particles, Klein-Gordon and Maxwell theory).
  • Effects based on post-Newtonian approximations: red/blue shift effects, rotation of the perihel, effect of gravitation on clocks, deflection of light.
  • Gravitational waves: perturbative expansion of field equations, gauge invariance, origin and detection of gravitational waves.
  • Classical space times: Minkowski, Rindler, Schwarzschild, Kerr, Reissner-Nordstrøm, Kerr-Newman geometries; Robertson-Walker metrics, Friedmann universes and deSitter space. Discussion of causal structure, geodesic completeness, key coordinate systems and Carter-Penrose diagrams.
  • Optional: Einstein-Hilbert action and variational principle.
  • Optional: Modern topics in cosmology: CMB, the Inflation Model.

 

Prerequisits:

Electrodynamics, special relativity, Lagrangian mechanics


Literature:

 


Theoretical Quantum Optics

Lecturer: Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Time: 4 + 2 st., Di 16-18, Do 12-14
Room: Di HS I, Do HS II
Start: 03.11.2020
Tutorials: n.V.


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. Tanja Schilling
Time: 4 + 2 st., Mo, 10-12, Di 12-14
Room: SR GMH
Start: 02.11.2020
Tutorials: n.V.

Programme:

We will study non-linear dynamics and chaotic systems. The first third of the course focuses on the mathematical perspective on time-discrete systems, the second part on time-continuous systems and the third part deals with examples from liquid state theory. The course will be an attendance course that requires presence in the class room. Learning material will be available online, but lectures will not be recorded.
 

Prerequisits:

Calculus (Analysis), Theoretical Mechanics, Statistical Physics
 

Literature:

  • Lecture notes (on ILIAS)
  • R. Devaney, "An Introduction to Chaotic Dynamical Systems" (access to a digital version will be provided by the library)
  • D.K. Arrowsmith and C.M. Place "An introduction to dynamical systems"
  • J.P. Hansen, I.R. McDonald "Theory of Simple Liquids" (digital access is available through the library)

 

 


Dynamical Systems in Biology

Dozent: Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit: 4 st., Mi, Fr 12-14
Ort: HS I
Beginn: 04.11.2020
Übungen: n.V.
Lecture link

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

 


Particle Detectors

Lecturer: Prof. Dr. Beate Heinemann
Time: 4 st., Do 10-12, Fr 12-14
Room: SR I
Start: 05.11.2020
Tutorials: 2 st, n.V.

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. Tobias Lau
Time: 4 + 2 st., Mo 12-14, Di 10-12
Room: SR GMH
Start: 02.11.2020
Tutorials: n.V.

Program:

(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:

tba
 


Advanced Particle Physics

Lecturer: Prof. Dr. Gregor Herten
Time: 4 + 2 st., Di 12-14, Mi 14-16
Room: SR GMH
Start: 03.11.2020
Tutorials: Mo 10-12, SR GMH

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. Oliver Waldmann
Time: 4 + 2 st., Di 14-16, Mi 12-14
Room: SR GMH
Start: 03.11.2020
Tutorials: n.V.

Program:

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

 

Prerequisits:  Experimentalphysik I-III

Literature:

  • tba

 


Grundlagen der Halbleiterphysik / Fundamentals of Semiconductors & Optoelectronics

Dozent: apl Prof. Dr. Joachim Wagner (Fraunhofer IAF), Prof. Dr. Andreas Bett (Fraunhofer ISE)
Zeit: 3 st., Fr 8-10
Ort: SR GMH
Beginn: 06.11.2020

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)

 


Multi-junction solar cell technology and concentrator photovolatic

Dozent: Prof. Dr. Andreas Bett (Fraunhofer ISE)
Zeit: 3 st., Mo 14-16
Ort: SR GMH
Beginn: 02.11.2020

Programme:

  • multi-junction solar cell approach to increase the sunlight conversion efficiency, different solar cell architectures/li>
  • introduction III-V materials, adjustment of band-gap, growth techniques/li>
  • methods for charaterisation of III-V materials and multi-junction solar cells/li>
  • PV concentrator technology: low and high concentration/li>
  • componentes of CPV systems: optics, cells, manufacturing/li>
  • CPV system analysis including an economical evalution

 

Preliminaries/Previous knowledge:

 

Literature:

  • "Solar Cells and Their Applications", L. Fraas, L.Partain, Wiley, 2010;
  • "Advanced Concetps in Photovoltaics", AJ Nozik, G. Conibeer, MC Beard, Royal Society of Chemistry, 2014;
  • "Next Generation Photovoltaics", AB Cristobal Lopez, A. Marti Vega, A. Luque Lopez, Springer Series in Optical Sciences 165, 2012,
  • "Concentrator Phtovoltaics", A Luque, V. Andreev, Springer Verlag, Series in Optical Sciences, 2011

 


Physics of Medical Imaging Methods

Lecturer: Prof. Dr. Michael Bock
Time: 2 + 1 st., Do 12-14
Room: Uniklinik, Killianstr. 5a, Seminarroom "Big Green"
Start: 05.11.2020
Tutorials: n.V.

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: Superconductivity I (Phenomenology)

Lecturer: apl Prof. Dr. Christian Elsässer
Time: 2 + 1 st., Fr 8-10
Room: SR I
Start: 06.11.2020
Tutorials: n.V.

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

Program:

In Superconductivity 1 (WS 2020/21), the phenomenology of superconductivity is addressed.

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

 

In Superconductivity 2 (SS 2021), microscopic theories of superconductivity will be addressed.

  • Introduction to the quantum mechanics of homogeneous superconductors; Cooper's problem.
  • Electron-phonon interaction in normal metals and superconductors.
  • Theory of Bardeen, Cooper and Schrieffer; the energy gap; experimental observations.
  • Thermal and optical excitations; derivation of thermodynamic properties.
  • Quantum mechanics of inhomogeneous superconductors.

 

Literature:

  • M. Tinkham, Introduction to Superconductivity
  • W. Buckel, R. Kleiner, Superconductivity: Fundamentals and Applications

 


Advanced condensed matter theory

Lecturer: Dr. Junichi Okamoto, Prof. Dr. Michael Thoss
Time: Mo 13-14, Mi 14-16
Room:
Start: 02.11.2020


Preliminary Program:

This lecture covers basic notions in many-body physics in solids with emphasis on collective phenomena stemming from interactions, e.g., magnetism, superconductivity and Mott physics. Starting from the classical spin models, we will look at spontaneous symmetry breaking, excitation, linear response theory, and Ginzburg-Landau theory. We will then consider quantum spins, BCS superconductivity, and the Hubbard model to see how the basic ideas are applied to quantum many-body systems.

I. Topics

  • Spontaneous symmetry breaking
  • Collective excitation, Nambu-Goldstone modes, topological excitation
  • Mean-field theory
  • Linear response theory
  • Ginzburg-Landau theory


II. Examples

  • Classical and quantum spins: Ising, XY, and Heisenberg models, magnons
  • Superconductivity: electron-phonon interaction, BCS theory, Anderson-Higgs mechanism
  • Hubbard model: Mott physics, high-Tc superconductors

 

Prerequisits:

Theoretical Physics I-IV, Advanced Quantum Mechanics, (Theoretical Condensed Matter Physics)

 

Literature:

  • P. M. Chaikin and T. C. Lubensky, “Principles of condensed matter physics”
  • H. Bruus and K. Flensberg, “Many-body quantum theory in condensed matter physics: An introduction”
  • R. P. Feynman, “Statistical mechanics”
  • D. Forster, “Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions”
  • P. W. Anderson, “Basic notions in condensed matter physics”

 


Biophysik: Grundlagen und Konzepte

Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach, Dr. Felix Jünger
Zeit: 3 + 2 st., Di 10-13
Ort: IMTEK, Gebäude 101, SR 01-018
Beginn:

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

 


Photonic Microscopy

Lecturer: Prof. Dr. Alexander Rohrbach, Dr. Felix Jünger
Time: 3 + 2 st., Do 14-17
Room: SR GMH
Start:

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:
The scientific breakthroughs and technological developments in optical microscopy and imaging have experienced a real revolution over the last 10-15 years. Hence, the 2014 Nobel-Prize for super-resolution microscopy could be seen as a logical consequence. This lecture gives an overview about physical principles and techniques used in modern photonic imaging.

Goals:
The student should learn how to guide light 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 experience that wave diffraction is not reducing the information and 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:

 


Biophysics of cardiac function and signals

Lecturer: Dr. Gunnar Seemann, Prof. Dr. Peter Kohl, Dr. Franziska Schneider, Dr. Remi Peyronnet
Time: 2 + 2 st., Fr 14-16
Room: Technische Fakultät (IMTEK), Geb. 051, SR 03-026
Start: 25.10.2019
Tutorials: 2 st. n.V., Mi 16-18

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

 


Higgs Physics

Dozent: PD Dr. Heidi Rzehak
Time: 2 + 1 st., n.V.
Room:
Start:

Programme:

  • symmetries
  • symmetry breaking
  • Higgs mechanism and Higgs boson in the Standard Model
  • Higgs mechanism and Higgs bosons in extensions of the Standard Model

 

Prerequisits:

 

Literature:


Solar Physics

Dozent: Prof. Dr. Oskar von der Lühe
Time: 2 + 1 st., Mi 14-16
Room: SR Kiepenheuer-Institut
Start:
Lecture link

Programme:

The lecture is targeted at students of the Master's curriculum in physics.
 

Prerequisits:

Experimental Physics I – IV.
Completion of an introductory course on astro-physics (e. g. bachelor course) is highly recommended.
 

Literature:


Term Paper: tba

Lecturers: NN
Time: tba


Summary:

 

 


Term Paper: tba

Lecturers: NN
Time: tba


Summary:

 

 


Term Paper: tba

Lecturers: NN
Time: tba


Summary:

 

 

 

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