Kommentare Wintersemester 2022/23

Vorkurs Mathematik

Dozent: Dr. Andreas Härtel
Zeit: Blockveranstaltung ganztägig, vor Vorlesungsbeginn: Di 04.10. - Sa 08.10.2022
Vorlesung: täglich 9-12
Übungen: nachmittags 14-17 in Gruppen
Ort: Großer HS Physik (Herrmann-Herder-Str. 3) - Lageplan


Der Vorkurs findet unter Einhaltung der Hygiene- und Abstandsregelungen in Präsenz im Goßen Hörsaal der Physik statt. 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, 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 Rundbau
5 ECTS
Beginn: 18.10.2022
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. Stefan Dittmaier
Zeit: 4 st., Mi, Fr 12-14
Ort: HS I
9 ECTS
Beginn: 19.10.2022
ILIAS

Programm, Vorkenntnisse, Literatur:
Kurs-Link

Experimentalphysik I
(Mechanik, Gase und Flüssigkeiten)

Dozent: Prof. Dr. Karl Jakobs
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Mi 10-12
Ort: Gr. HS
6 ECTS
Beginn: 17.10.2022
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. Tobias Schaetz
Zeit: 4 + 2 st., Di, Mi 8-10
Ort: Gr. HS
7 ECTS
Beginn: 18.10.2022
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. Marc Schumann, Dr. Sebastian Lindemann
Zeit: 4 st., Do 12-14, Fr 10-12
Ort: Do HS I, Fr HS II
7 ECTS
Beginn: 20.10.2022
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: apl. Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Do 10-12
Ort: HS I
7 ECTS
Beginn: 17.10.2022
ILIAS


Programm: 

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

Vorkenntnisse:

Analysis für Physiker, Lineare Algebra, Theoretische Physik I
Es wird empfohlen den begleitenden Mathematica-Kurs zu besuchen!
 

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. Joachim Dzubiella
Zeit: 4 + 2 st., Di 12-14, Mi 8-10
Ort: HS I
8 ECTS
Beginn: 18.10.2022
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

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

Dozent: Dr. Andrea Knue
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Mi 14-16 (Mi 14-tgl.)
Ort: SR GMH
7 ECTS (BOK 8 ECTS)
Beginn: 18.10.2021
ILIAS

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

Quantencomputer

Dozent: PD. Dr. Thomas Wellens (Fraunhofer IAF)
Zeit: 2 st., Di 10-12
Ort: HS I
Übung; 2 st.
6 ECTS
Beginn: 18.10.2022
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: Physik in der Küche

Dozenten: Prof. Dr. Tanja Schilling, Dr. Andreas Härtel
Zeit:
Ort:
4 ECTS
ILIAS

In diesem Seminar werden wir Themen aus der Physik und Chemie besprechen, die nötig sind, um die Zubereitung von Nahrungsmitteln zu verstehen. Die möglichen Themen schließen zum Beispiel mechanische Eigenschaften wie den nicht-Newton'schen Fluß in Mayonnaise, Ketchup und Pudding, chemische Eigenschaften wie die Emulgierung in Soßen, und die Physik von Polymeren im Zusammenhang mit der Zubereitung von Eiern ein.

Teilnehmer(innen) werden jeweils zu zweit wissenschaftliche Vorträge zu einem gemeinsam erarbeiteten Thema halten und die Inhalte am Zubereiten von Speisen demonstrieren. (Wir werden Milch und Eier verwenden, daher ist das Seminar für Vegetarier aber nicht für Veganer geeignet.)

Ablauf:

Jeweils zwei Teilnehmer(innen) bearbeiten gemeinsam ein Thema und präsentieren dieses dann in einer Einheit von 90 Minuten. Die Präsentation besteht aus einem wissenschaftlichen Vortrag inklusive Diskussion sowie der besipielhaften Zubereitung von Speisen. Spätestens eine Woche vor der Präsentation wird das Konzept probeweise mit dem Betreuer durchgesprochen.
 

Mögliche Themen:

1. Einführung: Kochen und Wissenschaft, Aufbau von Lebensmitteln, Garmethoden
2. Milch, Funktion von Proteinen, Käse
3. Eier
4. Gele
5. Schäume
6. Emulsionen
7. Textur, Fließeigenschaften, Konditionen im Mund
8. Garen und Karamellisieren
9. Veganes Kochen
10. Stickstoff, Molekularküche (Sferification), Aromen

Seminar Physik: Nobelpreise der Physik

Dozenten: PD Dr. Frederik Rühr
Zeit: Fr 14-16
Ort: SR GMH
4 ECTS
ILIAS

Themen:

Das Thema dieses Seminars sind Nobelpreise der Physik, sowohl historische Schlüsselthemen, als auch neuere Entwicklungen. Den Teilnehmenden steht die Themenwahl unter allen Nobelpreisen der Physik frei, das Ziel sind 45-minütige wissenschaftliche Vorträge durch einzelne Sprecher/-innen. Im Fall von geteilten Preisen für umfangreiche komplementäre Forschungsergebnisse kann nach Absprache der Fokus auf ein Teilgebiet gelegt werden, oder zwei Teilnehmende können sich 90 Minuten teilen.

Die Themen und Termine werden zu Beginn des Semesters gewählt, vor dem Vortrag im Seminar finden eine Vorbesprechung und ein Probevortrag mit dem Dozenten statt.

Seminar Physik: Moderne Methoden der Laserspektroskopie

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

Themen:

Die Laserspektroskopie ist ein sehr wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Materie. Seit der Entwicklung des Lasers wurden eine Vielzahl von unterschiedlichen Laserspektroskopiemethoden entwickelt. Jede dieser Methoden wurde so konzipiert, dass sie gezielte Eigenschaften der Materie besonders gut offenlegen kann. In diesem Seminar werden wir verschiedene Methoden der Laserspektroskopie behandeln und deren Vor- und Nachteile diskutieren.

Vorbesprechung unseres Seminars Montag, 24.10., um 16:00 Uhr, Seminarraum AG Stienkemeier, 5. OG Hochhaus der Physik

Vorläufige Liste der Vortragsthemen:

• Überblick über die Laserquellen und Detektoren
• Sättigungsspektroskopie für Doppler-freie Spektren
• Licht-induzierte Fluoreszenzspektroskopie an Molekularstrahlen zur Untersuchung isolierter Moleküle
• Ultraschnelle transiente Absorption zur Untersuchung sehr schneller molekularer Prozesse
• Fouriertransform Infrarotspektroskopie zur Identifizierung von Molekülen anhand der Vibrationsfrequenzen
• Ramsey Spektroskopie zur hochauflösenden Spektroskopie bis hin zu Atomuhren
• Photon Echo Spektroskopie und spektrales Lochbrennen zur Bestimmung der homogenen Linienbreite und lokalen Wechselwirkungen
• Hochauflösende Spektroskopie mit Frequenzkämmen
• LIDAR zur Vermessung der Atmosphäre

Fachdidaktik I: Einführung in die Fachdidaktik für Studierende des Gymnasiallehramts

Dozent: Prof. Dr. Silke Mikelskis-Seifert (Pädagogische Hochschule)
Zeit: 2 st., Di 14-16
Ort: PH KG 3, Raum 111
Beginn: 18.10.2022
Link-LSF
 

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im Polyvalenten 2HF Bachelor und Lehramt GymPO

Die Veranstaltung „Fachdidaktik I“ findet Onlineveranstaltung mit Online-Übung 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 „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: JProf. Dr. Martin Schwichow & Dozenten des Physikalischen Instituts
Zeit: 2 st., Do 14-16
Ort: PH KG 3, Raum 111
Beginn: 20.10.2022

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.

Fachdidaktik der Physik der Kursstufe

Dozent: Dr. Jens Wilbers (Pädagogische Hochschule)
Zeit: 2 st., Mo 12-14
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 X. November, 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 .

Advanced Quantum Mechanics

Lecturer: Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Time: 4 + 3 st., Mi, Fr 10-12
Room: HS I
10 ECTS
Start: 21.10.2022
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. Andreas Buchleitner
Time: 4 + 2 st., Mi, Do 14-16
Room: HS II
9 ECTS
Start: 19.10.2022
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. Gerhard Stock
Time: 4 + 2 st., Mo 10-12, Mi 12-14
Room: SR I
9 ECTS
Start: 17.10.2022
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)

Gauge Theory and Fundamental Interactions

Lecturer: Dr. Robert Ziegler (Karlsruhe KIT)
Time: 4 st., Di, Do 10-12
Room: SR I
9 ECTS
Start:
Tutorials: 2 st, Mo 14-16, SR II/III
ILIAS

Programme:

• Quantization of field theories via functional integrals
• Perturbation theory and Feynman diagrams
• Gauge theories and their quantization
• BRS symmetry and Slavnov-Taylor identities
• Theories of strong (QCD) and/or electroweak interactions, with optional emphasis
• Quantum corrections, regularization, and renormalization
• Renormalization group equations
• Jet production in e+e- annihilation
• Drell-Yan process

Prerequisits:

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

Literature:

Particle Detectors

Lecturer: Prof. Dr. Gregor Herten
Time: 4 st., Di, Do 10-12
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 18.10.2022
Tutorials: 2 st, Di 14-16, SR Westbau 01011
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. Frank Stienkemeier
Time: 4 st., Di, Do 10-12
Room: HS II
9 ECTS
Start: 17.10.2022
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: Prof. Dr. Markus Schumacher
Time: 4 + 2 st., Mo 10-12, Di 12-14
Room: HS II
9 ECTS
Start: 17.10.2022
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. Tobias Lau
Time: 4 + 2 st., Di 14-16, Mi 12-14
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 18.10.2022
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

Polymer Physics

Lecturer: Prof. Dr. Günter Reiter
Time: Do, Fr 8-10
Room: HS II
9 ECTS
Start: 20.10.2022
ILIAS
Lecture link

Program:

We can't imagine life and technology today without polymers, if you think of materials like PET bottles and PVC, nylon, teflon or rubber. Also in nature biopolymers are ubiquitous, e.g. DNA, proteins or cellulose. This lecture will give an introduction into the experimental and theoretical concepts in understanding and characterisation of polymer systems. Both, applied and material aspects will be discussed - like polymer flow, elastomers and crystalline polymers - as well as present topics of fundamental research, e.g. glass transition, dynamics in confined geometries and self assembly. The lecture will deal with basic theoretical concepts and descriptive experiments. It will start with simple single chain phenomena and step by step develop more complex structures and dynamics of polymer solutions, melts and blends.
 

Prerequisits:

Grundvorlesungen und etwas Thermodynamik

Literature:

• G. Strobl, The Physics of Polymers
• Colby & Rubinstein, Polymer Physics

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: 21.10.2022
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)

Multi-junction solar cell technology and concentrator photovolatic

Dozent: Prof. Dr. Andreas Bett
Zeit: 2 st., Mo 14-16
Ort: SR I
3 ECTS
Beginn: 17.10.2022
ILIAS

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

Astrobiology

Dozent: Prof. Dr. Svetlana Berdyugina (svetlana.berdyugina@kis.uni-freiburg.de)
Zeit: 3 + 2 st, Mi 8:15-11
Ort: SR Leibniz-Institut (KIS), Schöneckstr. 6
7 ECTS
Beginn: 26.10.2022
Lecture link

Programme:

Astrobiology is the science that addresses the questions on the origins, evolution, distribution, and future of life in the Universe. Organic matter is a fundamental constituent of living systems and represents the substance from which life has been generated on the early Earth. The distribution of organic matter in the Universe has a direct influence on where life could originate. In this lecture course we will examine the major environments in which organic matter is created, including debris of the interstellar medium, organic-rich circumstellar envelopes, solar nebula, and the prebiotic Earth. We will study the main energy sources for the life and learn how to find life on exoplanets. The course is given in English.
 

Prerequisits:
 

Literature:

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: 20.10.2022
Tutorials: N.V.
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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: 21.10.2022
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 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)

Cosmology

Dozent: JProf. Dr. Stefan Vogl
Zeit: 2 + 1 st., Mo 12-14
Ort: HS II
Beginn: 17.10.2022
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

Quantum Magnetism in the Nano World

Dozent: Prof. Dr. Oliver Waldmann
Time: Mo, Do 12-14
Room: Mo SR I, Do HS II
Start: 17.10.2022
Tutorials: Mi 14-16, SR I
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Program:
Quantum magnetism in nanosized systems is at the forefront of modern physics because of the intriguing fundamental questions which have to be addressed and the relevance to future applications. Several experimental realizations of nanosized quantum spin systems have been exploited in the recent past, with molecular nanomagnets and artificially engineered spin structures being two most important ones. The topic also establishes excellent examples to study and understand better the basics and application of quantum mechanics, perfectly building on and enhancing previously acquired knowledge. In this lecture the basics of quantum magnetism in nanosized objects as well as current important research topics will be covered:

• What is quantum magnetism and why it's hard to reach
• Overview of conventional magnetism
• Magnetism in atoms and ions
• Ligand field theory, spin Hamiltonian
• Spin clusters and magnetic interactions between spin centers
• Experimental methods: Magnetisation, EPR, neutron scattering
• Numerical methods: diagonalization of Hamiltonian matrices
• Single-molecule magnets and quantum tunneling of the magnetisation
• Many-body quantum phenomena in nanosized spin clusters
• Quanteninformation applications

Prerequisits:

Experimental Physik, Quantum Mechanics
 

Literature:

• D. Gatteschi, R. Sessoli, J. Villain, "Molecular Nanomagnets" (Oxfrod University Press)
• H. Lueken, Magnetochemie (Teubner Studienbücher)
• Jülich Spring School "Magnetism goes Nano" (available online for free at http://juser.fz-juelich.de/record/44347)
• N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, "Solid State Physics" - google

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: 18.10.2022
Tutorials: Diu 16-18, IMTEK Geb. 102, SR 01-012
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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 9:30-12
Room: SR II/III
7 ECTS
Start: 19.10.2022
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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:

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: 19.10.2022
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: 21.10.2022
Tutorials: 2 st. n.V., Mi 16-18
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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: Modern Topics in Condensed Matter Physics

Lecturer: Prof. Dr. Michael Thoss, Dr. Junichi Okamoto
Time: Do 13-15, SR Westbau 2.OG
6 ECTS
Start:

This term paper seminar will cover selected topics of condensed matter physics comprising a variety of interesting phenomena and the theoretical tools necessary to understand the underlying physics. Specific topics will include macroscopic quantum phenomena, dissipative processes and thermalization, basic models for spin systems and correlated electrons as well as important theories and techniques for equilibrium and nonequilibrium physics in condensed matter.
 

Topics:

1. Overview and introductory talks
   • Macroscopic quantum phenomena
   • Phase transitions and spontaneous symmetry breaking
2. Models and methods
   • Spin models and critical phenomena
   • The Hubbard model: a stepping stone to high-Tc superconductivity
   • Solving the curse of dimensionality with tensor network methods
3. Dynamics and non-equilibrium phenomena
   • Wavefunction interference in disordered systems: Anderson localization
   • Periodically driven systems and dynamical control
   • Quantum dissipative systems
   • Noise in quantum systems
4. Low-dimensional quantum systems
   • The Kondo effect: renormalization group and asymptotic freedom
   • Superconducting qubits and Josephson effects
5. Transport problems
   • Quantum transport through nanostructures
   • Spintronics: The future of information processing?
   • Electron-vibration effects in nanostructures

Term Paper: No-Go-Theorems in Quantum Theory

Lecturers: apl. Prof. Dr. Thomas Filk, Andreas Woitzik
Time: Di 14-16, SR I
6 ECTS
Start:
Link to course description

Since the beginning of quantum theory the indeterminism of this theory has been a fundamental issue: Is this indeterminism intrinsic (ontic) or just a lack of knowledge (epistemic)? Can quantum states at least in principle be refined in such a way that the measured values of observables are dispersion free? Do hidden variables exist, which determine the measured values of observables?
This term paper seminar will investigate the main arguments, which have been put forward that such an extension of quantum theory is not possible. Because extensions with hidden variables exist (e.g. Bohmian mechanics), the main focus of these “no-go”-theorems is on the exact conditions under which such extensions are not possible. The following is a list of subjects (those with an asterix * have priority; the other subjects can be replaced, if participants have suitable suggestions).
The term paper presentations will take place Tuesdays, 2 pm, in seminar room I. The presentation about John von Neumann’s proof should be on October 25th. As November 1st is a holiday, the presentation about EPR will be on November 8th. Up to now the references and literature are only by keywords; a detailed list of the relevant literature will follow.
The first three subjects (von Neumann, EPR, and Gleason) can be “booked” by email (if you are interested, just send me an email). All other subjects will be assigned in the introductory session on October 18th.
 

Topics:

• "John von Neumann”: * J. von Neumann: “Mathematical foundations of quantum theory";  2 articles by Grete Hermann; 1 article by John Bell  
• "Einstein-Podolsky-Rosen": * EPR article; Bohr’s reply; letter of Pauli to Heisenberg; the articles of Schrödinger
• "Gleason’s Theorem": * Article of A. Gleason; article of John Bell (1966)
• "Bell inequalities": * 1964 article of John Bell; d’Espagnat on "Wigner’s inequality"
• "Kochen-Specker Theorem": * Kochen-Specker Article; Article of Peres and Mermin etc.
• "Jauch-Piron Theorem": Proposition calculus and an article of Jauch and Piron
• "CHSH inequality and Alain Aspect": * CHSH inequality, Fine
• "Birkhoff-von Neumann theorem" Article of Birkhoff and von Neumann
• "Quantum Logic and the no-go theorem of Giuntini" Giuntini’s book
• "No-Go theorems by Heisenberg, Born, and Schrödinger" Article of Bacciagaluppi and Crull
• "Hardy’s Paradox": Two articles by Hardy
• "Greenberger-Horne-Zeilinger": * two articles of GHZ; article of Mermin
• "The Peres-Mermin magic square": Articles by Peres and Mermin
• "PBR (Pusey – Barrett – Rudolph)": Three articles by PBR
• "Leggett-Garg inequalities": Leggett-Garg article

Term Paper: Modern Methods and Applications in Computational Physics

Lecturers: PD Dr. Steffen Wolf, Prof. Dr. Joachim Dzubiella
Time: Mi 16-17
6 ECTS
Start:

Computational physics has gained traction over the last decade and is nowadays a hot and increasingly important topic. The field includes simulations of the dynamics of molecular systems starting from ab-initio up to coarse-grained levels, beyond the resolution of experiments. Furthermore, it encompasses dimensionality reduction techniques that allow to extract simplified models such as Master equation approaches from "big data". In this course we discuss modern state-of-art simulation and data analysis methods in computational physics with a focus on methods used in (soft) condensed matter, biological physics, and related many-body complex systems.

Topics:

• Overview on multiscale many-body simulation techniques: ab-initio MD, MD, QM/MM, CG-BD, MC (Wolf/Dzubiella)
• Important concepts in statistical mechanics: phase space, expectation values, ergodicity, partition functions and free energy (Dzubiella/Wolf)
• Calculating potentials of mean force and free energies with „umbrellas“ and WHAM (Wolf)
• Determining biological process rates via „metadynamics" (Wolf)
• Finding the right process paths in biological systems (Reaction coordinate, TPS) (Wolf)
• Using non-equilibrium steered MD simulations to understand ion channels (Wolf)
• Weighed Ensemble simulations and Covid-19 Spike protein (Wolf)
• Machine Learning approaches to determine reaction coordinates (Wolf)
• Markov Models for protein folding and dynamics (Dzubiella, Wolf)
• Boltzmann generators to solve many-body problems (Dzubiella, Goeth)
• Computing viral spreading by mesoscale Brownian dynamics (Dzubiella, Groh)
• Machine Learning in force-field development / Neural Network Potential for Liquid Electrolyte Simulations (Dzubiella, Gayen)
• Level-set methods to propagate interface Hamiltonians for applications in biomolecular solvation (Dzubiella)
• Nonequilibrium simulations of transport in microscopic systems (Dzubiella, Milster)
• Reactive force-fields for chemical transformations in MD and BD (Dzubiella, Groh, Wolf)
• Path integral methods in MD (Wolf)