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Kommentare Wintersemester 2025/26

 

Vorkurs Mathematik

Dozent: Dr. Christof Bartels
Zeit: Blockveranstaltung ganztägig, vor Vorlesungsbeginn: Mi-Sa 01.-04.10.
(4 Tage einschließlich Feiertag 3.10. und Samstag 4.10.)
Vorlesung: täglich 8:30-12 Uhr
Übungen: nachmittags 14-17 Uhr in Gruppen
Ort: Großer HS - Lageplan

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

Programm:

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

Vorkenntnisse:

keine
 

Wissenschaftliches Programmieren

Dozent: Dr. Michael Böhler
Zeit: 2 + 2 st., Di 10-12
Ort: HS Rundbau
5 ECTS
Beginn: 14.10.2025


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:

 

Einführende Literatur:

 

Mathematik II für Studierende der Physik

Dozent: Prof. Dr. Stefan Dittmaier
Zeit: 4 st., Mi, Fr 12-14
Ort: HS I
9 ECTS
Beginn: 15.10.2025


Programm:

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

 

Vorkenntnisse:

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

Einführende Literatur:

 

Experimentalphysik I
(Mechanik, Gase und Flüssigkeiten)

Dozent: Prof. Dr. Marc Schumann
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Mi 10-12
Ort: Gr. HS
8 ECTS
Beginn: 13.10.2025

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
7 ECTS
Beginn: 14.10.2025


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. Marco Gersabeck
Zeit: 4 st., Mo 12-14, Di 10-12
Ort: Do HS I
7 ECTS
Beginn: 13.10.2025


Programm:

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

 

Vorkenntnisse:

Physik I-IV, Quantenmechanik


Literatur:

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

 

Theoretische Physik II
(Elektrodynamik)

Dozent: Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Do 10-12
Ort: HS I
7 ECTS
Beginn: 13.10.2025


Programm: 

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

 

Vorkenntnisse:

Lineare Algebra I, Analysis I, Mathematik I für Studierende der Physik, 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: apl. Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit: 4 + 2 st., Di, Do 12-14
Ort: HS I
8 ECTS
Beginn: 14.10.2025


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:

  • Torsten Fließbach; Statistische Physik
  • Römer, Filk; Statistische Mechanik
     

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

Dozent: Prof. Dr. Markus Schumacher
Zeit: 4 + 2 st., Mo, Mi 14-16 (Mi 14-tgl.)
Ort: SR GMH
7 ECTS (BOK 8 ECTS)
Beginn: 13.10.2025


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

 

Einführung in die Astrophysik

Dozent: Dr. Rolf Schlichenmaier, Institut für Sonnenphysik (KIS)
Zeit: 3 st., Do 10-13
Ort: HS II
Übungen: 2 st. n.V.
Beginn: 16.10.2025
Lecture-Link

Programm:

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

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

 

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I-III, Theoretische Physik I-III
 

Einführende Literatur:

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

 

Quantencomputer

Dozent: PD. Dr. Thomas Wellens (Fraunhofer IAF)
Zeit: 2 st., Fr 10-12
Ort: HS II
Übung; 2 st.
6 ECTS
Beginn: 17.10.2025


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: Interpretations of Quantum Mechanics

Dozenten: apl. Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Zeit: Do 14-16
Ort: SR Westbau 2.OG
4 ECTS

Für Bachelorstudierende sind die Vorträge in aller Regel in deutsch zu halten.

Seminar Physik: When Physics meets Biology

Dozenten: PD Dr. Steffen Wolf, Dr. Viviane Timmermann, Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit:
Ort:
4 ECTS
ILIAS

Auf den ersten Blick scheinen Physik und Biologie hinsichtlich ihrer Untersuchungsgegenstände und wissenschaftlichen Ansätze weit voneinander entfernt zu sein. Die Physik kann jedoch wissenschaftliche Antworten auf biologische Fragen liefern, z.B. wie Zellen über chemische Signale kommunizieren, wie Proteine als Cluster kondensierter weicher Materie ihre Funktion erfüllen und wie diese Funktion aus der atomaren Dynamik hervorgeht. Im Rahmen dieses Seminars erwerben die Studierenden Kenntnisse über klassische und innovative Ansätze in der biologischen Physik, wie z. B. die Modellierung biologischer Netzwerke mittels Differentialgleichungen, Dimensionsreduktion und Master-Gleichungsansätze für die Analyse biologischer "Big Data" sowie rechnergestützte Ansätze zur Vorhersage der Proteindynamik anhand ihrer atomistischen Strukturen.

Topics:

  • Calculating free energies with "umbrellas" (Wolf)
  • Determining biological process rates via "metadynamics" (Wolf)
  • Finding the right process paths in biological systems (Wolf)
  • Network-Motifs I&II (Timmer)
  • Pattern formation I & II (Timmer)
  • Signaling Cascades (Timmer)
  • The dynamics of the Covid-19 spike protein (Wolf)
  • Using non-equilibrium simulations to understand ion channels (Wolf)
  • ...

 

Seminar Physik: Modern experimental techniques in molecular physics

Dozenten: PD Dr. Lukas Bruder, Dr. Sebastian Hartweg, Prof. Dr. Frank Stienkemeier
Zeit: Mi 16:30-17:30
Ort: HS II
4 ECTS

Für Bachelorstudierende sind die Vorträge in aller Regel in deutsch zu halten.

Molecules are the fundamental building blocks of nature and therefore require a deep understanding. Yet, they are often highly complex, involving multiple degrees of freedom such as electronic, vibrational, rotational, and spin states. Moreover, molecular processes take place on ultrafast timescales, typically shorter than one picosecond, which makes their investigation particularly challenging. To address this, a wide range of experimental techniques have been developed, each targeting specific aspects of molecular physics.

This seminar will introduce modern experimental approaches designed to explore both the static and dynamic properties of molecules. Topics include the preparation of isolated molecules in vacuum, methods for active molecular alignment, advanced multidimensional detection schemes, ultrafast spectroscopic techniques, and diffraction-based imaging methods. Many of these techniques are actively pursued by the research groups at the Institute of Physics in Freiburg, providing a direct link between the seminar and ongoing research at our institute.

The Term Paper/Seminar is open for Bachelor and Master students.

Topics:

  • Modern photoelectron spectrometers
  • Molecular complexes studied with IR free electron lasers
  • Velocity-Map-Imaging spectrometers
  • Reaction microscopes
  • Supersonic molecular beams
  • Coherent diffraction imaging using X-ray free-electron lasers
  • Alignment and Orientation of molecules using laser fields
  • Optical centrifuges
  • Deflection of neutral molecular beams using static fields
  • Transient absorption spectroscopy
  • Ultraviolet circular dichroism
  • Photon echo spectroscopy
  • IR Fourier transform spectroscopy
  • Multidimensional rotational spectroscopy

 

Mathematik I für Lehramt

Dozentin: PD Dr. Andreas Härtel
Zeit: 4 st., Di 16-18, Do 14-16
Ort: SR I
Beginn: 14.10.2025
 

Die Vorlesung richtet sich an Studierende im Polyvalenten 2-HF Bachelor die nicht Mathematik als weiteres Hauptfach studieren.

 

Fachdidaktik I: Einführung in die Fachdidaktik für Studierende des Gymnasiallehramts

Dozentin: Dr. Martina Brandenburger (Pädagogische Hochschule)
Zeit: 2 st., Di 14:30-16:00
Ort: PH KG 3, Raum 111
Beginn: 14.10.2025
 

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

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

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

 

Kontextorientierung und Physik im Alltag

Dozent: Prof. Dr. Martin Schwichow & Dozenten des Physikalischen Instituts
Zeit: 2 st., Do 12:00-13:30
Ort: SR GMH
Beginn: 16.10.2025

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.

 

Fachdidaktik der Physik der Kursstufe

Dozent: apl Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit: 2 st., Do 14:15-15:45
Ort: SR GMH
Beginn: 16.10.2025

Dieses Seminar richtet sich an Studierende im M.Ed.

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

 

Advanced Quantum Mechanics

Lecturer: Prof. Dr. Michael Thoss
Time: 4 + 3 st., Mi, Fr 10-12
Room: HS I
10 ECTS
Start: 15.10.2025


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: Jun.-Prof. Dr. Simone Biondini
Time: 4 + 2 st., Mo, Di 14-16
Room: HS I
Tutorials: Fr 14-16, SR I
9 ECTS
Start: 13.10.2025
 

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:

 

Classical Complex Systems

Lecturer: Prof. Dr. Joachim Dzubiella
Time: 4 + 2 st., Mi 12-14, Do 8-10
Room: SR Westbau 2. OG
9 ECTS
Start: 15.10.2025
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)

 

Theoretical Quantum Optics

Lecturer: Dr. Christoph Dittel, Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Time: 4 + 2 st., Mi, Do 14-16
Room: HS I
9 ECTS
Start: 15.10.2025
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

 

Particle Detectors

Lecturer:Prof. Dr. Karl Jakobs, Dr. Dennis Sperlich
Time: 4 + 2 st., Di, Mi 8-10
Room: HS II
9 ECTS
Start: 14.10.2025
Tutorials: Do 8-10, SR GMH

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. Giuseppe Sansone
Time: 4 st., Di, Do 10-12
Room: SR GMH
9 ECTS
Start: 14.10.2025
Tutorials: Fr 12-14, SR GMH

Program:

  1. Fundamentals of light matter interactions
    1. Absorption, emission and scattering of light
    2. Spectroscopic line shapes, spectroscopic consideration
    3. Time-domain vs. Frequency domain spectroscopy
  2. Atomic structure
    1. One electron atoms
    2. Many electron atoms
    3. Fine and hyperfine structure
  3. Molecular energy levels and molecular spectroscopy
    1. Electronic vibrational and rotational states of diatomic molecules
    2. Polyatomic molecules
    3. Molecular spectra and spectroscopic selection rules
    4. Molecular symmetry, group theory and its applications to molecular spectroscopy
    5. Intermolecular interactions
  4. Modern techniques in atomic and molecular physics
    1. Photoionization and modern detector systems
    2. Modern radiation sources and applications

 

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: Jun.-Prof. Dr. Brian Moser
Time: 4 + 2 st., Mo, Di 10-12
Room: HS II
9 ECTS
Start: 13.10.2025


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.

 

 

Quantum Field Theory II

Lecturer: Prof. Dr. Heidi Rzehak
Time: 4 + 2 st., Di 12-14, Do 14-16
Room:  HS II
9 ECTS
Start: 14.10.2025


Program:

  • Quantization of field theories via functional integrals
  • Gauge theories and their quantization
  • Quantum corrections and renormalization
  • Spontaneous symmetry breaking
  • Standard Model of particle physics

 

Prerequisits:

QFT I, Electrodynamics and Special Relativity
 

Literature:

 

Quantum Metrology

Lecturer: Dr. Giacomo Sorelli (Fraunhofer IOSB, Ettlingen), Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Time: 2 + 1 st., Di 14-16
Room:  SR GMH
5 ECTS
Start: 14.10.2025


Program:

Quantum probes enable some of the most precise measurements performed nowadays, e.g. the detection of gravitational waves in long baseline interferometers. In this course, we will how identify quantum resources and optimal measurements that can enable such unprecedent precision. In the lectures, we will focus on the theory of quantum hypothesis testing and quantum parameter estimation. In the tutorial sessions, we will discuss examples with impact in quantum communication, interferometry, and sub-diffraction imaging.

  1. Review of preliminary concepts
    1.1. Pure and mixed states
    1.2. Unitary evolution
    1.3. Projective measurements and POVM
  2. Hypothesis Testing
    2.1. Symmetric vs asymmetric hypothesis testing in classical statistics
    2.2. Quantum symmetric and asymmetric hypothesis testing
    2.3. Asymptotic bounds in quantum hypothesis testing
  3. Classical parameter estimation
    3.1. Cramér-Rao lower bound
    3.2. Frequentist estimators
    3.3. Van Trees inequality as a Bayesian Cramér-Rao Bound
    3.4. Bayesian estimators
  4. Quantum parameter estimation
    4.1. Quantum Cramér-Rao lower bound
    4.2. Quantum Bayesian estimation
  5. Quantum enhanced metrology
    5.1. Maximizing the QFI over input states
    5.2. Standard Quantum Limit
    5.3. Role of entanglement and and Heisenberg Limit
     

Literature:

Classical Detection and Estimation theory:
- H. L. Van Trees, Detection Modulation and Estimation Theory Part I, (1967)
- S. M. Kay, Fundamentals of statistical signal processing, (1993)

Quantum Detection and Estimation:
- C. W. Helstrom, Quantum Detection and Estimation Theory, (1976)
- A. S. Holevo, Probabilistic and Statistical Aspects of Quantum Theory, (1982)

More recent advances:
- L. Pezzé, A. Smerzi, Quantum Theory of Phase Estimation, (2015)
- M. Barbieri, Optical Quantum Metrology, (2022)

 

Condensed Matter I: Solid State Physics

Lecturer: Prof. Dr. Oliver Waldmann
Time: 4 + 2 st., Mo 12-14, Mi 14-16
Room: SR I
9 ECTS
Start: 13.10.2025 
ILIAS


Program:

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

 

Prerequisits:  Experimentalphysik I-III

Literature:

  • tba

 

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: 16.10.2025
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

  

Theoretical Astrophysics II: polarized radiative transfer

Lecturers: Dr. Juan Manuel Borrero, Dr. Ivan Milic, Institut für Sonnenphysik (KIS)
Time: 2 + 1 st., Do 12:15 - 14:00
Room: SR I
5 ECTS
Start: 16.10.2025
Tutorials:
Syllabus (PDF)
 

Program:

Due to the fact that we cannot directly measure the physical properties of astrophysical bodies, most of our knowledge about stars is based on the interpretation of the observed light emitted by these objects. In this course, we will focus on:

  • the generation and propagation of light in the atmosphere of stars;
  • spectral line formation and polarization under local and non-local thermodynamic equilibrium;
  • methods for inferring the physical characteristics of the object (temperature, chemical composition, magnetic field, etc.) from the light we are receiving.


To this end, we will combine concepts from electromagnetism, optics, quantum mechanics and thermodynamics. The lectures will be reinforced with hands-on exercises in python with a brief critical introduction to python programming. Practical exercises will include problem solving, use of scientific software, and possible remote observations with Europe’s largest solar telescope GREGOR (Tenerife, Spain) as well as analysis of data from GREGOR or from Hinode satellite.

Minimum requirements: 2 years of undergraduate physics with electromagnetism. Course is open to bachelor and master students.

Recommended requirements: quantum/atomic physics, knowledge of computer programming (python).
 

Literature:

  • Introduction to spectropolarimetry. Del Toro Iniesta. Cambridge Univ. Press. 2003
  • The Sun: an introduction. M. Stix, SpringerLink, 2003
  • Radiative transfer in stellar atmospheres. Rob Rutten. 2003: https://robrutten.nl/ rrweb/rjr-pubs/2003rtsa.book.....R.pdf
  • Observation and analysis of stellar photospheres, 4th edition. D. F. Gray. Cambridge Univ. Press. 2021.

   

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

Lecturer: apl. Prof. Dr. Christian Elsässer
Time: 2 + 1 st., Fr 8-10
Room: SR I
5 ECTS
Start: 17.10.2025
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 2025/2026, 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 2026, 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)

  

Dynamical Systems in Biology

Dozent: Dr. Christian Fleck (Freiburg Center for Data Analysis and Modeling - FDM)
Zeit: 3 st., Mi 14-17
Ort: SR GMH
Beginn: 22.10.2025
Übungen: Mo 10-12, CIP Pool II

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

 

Biophysik: Grundlagen und Konzepte

Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 + 2 st., Di 14:15-16:45
Ort: Technische Fakultät (IMTEK), G.-Köhler-Allee, Geb. 102, SR 01-012
7 ECTS
Start: 14.10.2025
Tutorials: Di 17-18:30, IMTEK Geb. 102, SR 01-012


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 - from scattering media to super-resolution

Lecturer: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Time: 4 + 2 st., Mi, Do 14-16
Room: SR II/III
9 ECTS
Start: 15.10.2025
ILIAS

Program:

The scientific breakthroughs and technological developments in optical microscopy and imaging have experienced a real revolution over the last 20 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.

  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

 

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.

Prerequisits:

 

Literature:

 

Complex Networks

Lecturer: Dr. Mirko Schäfer (INATECH)
Time: 2 + 2 st., Mi, Do 10-12
Room: Technische Fakultät (IMTEK), G.-Köhler-Allee, Geb. 051, R 00-006
6 ECTS
Start: 15.10.2025
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. Jens Timmer
Time: 2 + 2 st., Fr 14-16
Room: HS II
6 ECTS
Start: 21.10.2025
Tutorials: 2 st., Tue 16-18 in CIP II

The first lecture is on Tue 21.10. instead of first tutorial!
 

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

 

Fundamentals of Semiconductors

Dozent: Dr. Stefan Janz (Fraunhofer ISE), Prof. Dr. Andreas Bett (Fraunhofer ISE)
Time: 3 st., Fr 8-10
Room: SR GMH
Tutorials; Di 10-12, SR I
5 ECTS
Start: 14.10.2025

Programme:

  • Inorganic crystalline semiconductor materials (e.g. Si, SiC and III-V materials)
  • Fabrication of bulk semiconductor crystals, epitaxial layers and other semiconductor thin films (e.g. Perovskites and a-Si)
  • 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

 

Preliminaries/Previous knowledge:

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

Literature:

  • K. Seeger, "Semiconductor Physics" (Springer, 2004)
  • P. Yu, M. Cardona, "Fundamentals of Semiconductors" (Springer, 2010)
  • K. W. Böer, "Semiconductor Physics" (Springer, 2018)

 

Polymer Theory

Lecturer: PD Dr. Michael Walter
Time: 2 st., Fr 14-16
Room: SR GMH
Tutorials: nach Vereinbarung (1 st.)
5 ECTS
Start: 17.10.2025

Program:

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

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

Prerequisits:

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

Literature:

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

 

Cosmology

Dozent: JProf. Dr. Stefan Vogl
Zeit: 2 + 1 st., Mo 12-14
Ort: HS II
Beginn: 13.10.2025
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

 

Photovoltaic Energy Conversion / Photovoltaische Energiekonversion

Lecturer: Dr. Uli Würfel, Prof. Dr. Andreas Bett
Time: 2 st., Di 8-10
Room: SR I
Tutorials: nach Vereinbarung (1 st.)
5 ECTS
Start: 21.10.2025

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

 

Term Paper: Interpretations of Quantum Mechanics

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

Topics (preliminary):

1. ...
 

Term Paper: The Higgs boson as a Swiss army knife for deciphering the mysteries in particle physics

Lecturer: Jun.-Prof. Dr. Brian Moser, Prof. Dr. Markus Schumacher
Time:
6 ECTS

Program:

The Higgs boson with a mass of 125 GeV, which has been discovered at the LHC in 2012, completes the particle spectrum of the Standard Model (SM). However, several fundamental question cannot be answered by the SM, such as the nature of Dark Matter (DM) or the origin of the Matter-Antimatter-Asymmetry (MAA) in the universe, suggesting the need for new physics. Almost all extensions of the SM predict an extended Higgs sector, which allows to solve/decipher the puzzles mentioned above.

In the term paper you will learn how the Higgs boson could provide answers to these open questions and how these potential answers can be tested at the LHC, its high luminosity upgrade HL-LHC and a new flagship e+ e- collider at CERN. We will focus on three particular topical areas:

  • A possible connection of the Higgs boson and the Dark Matter sector
  • The Higgs boson as a new source of CP violation for explaining the MAA
  • The Higgs boson self-coupling and its role in explaining the MAA

 

Potential topics for presentations:

  • Dark Matter from the Higgs sector and Dark Portal Models
  • Direct searches for DM in the Higgs sector at the LHC and the HL-LHC
  • Searches for DM in the Higgs sector at a future e+ e- collider and other constraints
  • CP-violation in the Higgs sector, relation to the MAA and how to search for it
  • Directs searches for CP violating interactions in the Higgs sector at LHC and HL-LHC
  • Directs searches for CP violating interactions in the Higgs sector at a future e+ e- collider and other constraints
  • The Higgs-boson self coupling: its relation to the MAA and phenomenology in extended Higgs sectors
  • Constraining the Higgs-boson self coupling from precision measurements at LHC and HL-LHC
  • Constraining the Higgs-boson self coupling from precision measurements at a future e+ e- collider


Depending on the number of interested people additional topics can be defined or topics can be combined.

 

Term Paper: The Magic of Feynman Diagrams

Lecturer: Prof. Dr. Stefan Dittmaier, PD Dr. Maximilian Stahlhofen
Time: Mo 14-16
Room: SR GMH
6 ECTS

Program:

Feynman diagrams are the fundamental building blocks appearing in perturbative quantum field theory in the mission of providing predictions for elementary particle processes. The complexity of Feynman diagrams rapidly grows with increasing perturbative order, characterized by: high algebraic complexity, appearance of divergences/singularities of various types, complicated analytical structures, etc.

The mission of the seminar is to take a tour to get an introduction to the concepts and techniques to tackle these challenges, which are full of mathematical and field-theoretical magic. Both the mathematical groundwork as well as phenomenological applications will be covered. The seminar is an ideal follow-up course after the "Introduction to Relativistic Quantum Field Theory" (SS25) or companion to the lecture "Quantum Field Theory II" (WS25/26).

Potential topics:

  1. Spinor technique and amplitude calculation
  2. Divergences and dimensional regularization
  3. One-loop Feynman integrals
  4. Solving Feynman integrals via differential equations
  5. Expansions of Feynman integrals via "methods of regions"
  6. QED renormalization (one-loop level)
  7. Anomalous magnetic moment of electrons and muons
  8. IR divergences and Bloch-Nordsieck theorem
  9. Jets in QCD and predictions for e+e- -> jets

 

Term Paper: Modern experimental techniques in molecular physics

Lecturer: PD Dr. Lukas Bruder, Dr. Sebastian Hartweg, Prof. Dr. Frank Stienkemeier
Time: Mi 16:30-17:30
Room: HS II
6 ECTS
 

Molecules are the fundamental building blocks of nature and therefore require a deep understanding. Yet, they are often highly complex, involving multiple degrees of freedom such as electronic, vibrational, rotational, and spin states. Moreover, molecular processes take place on ultrafast timescales, typically shorter than one picosecond, which makes their investigation particularly challenging. To address this, a wide range of experimental techniques have been developed, each targeting specific aspects of molecular physics.

This seminar will introduce modern experimental approaches designed to explore both the static and dynamic properties of molecules. Topics include the preparation of isolated molecules in vacuum, methods for active molecular alignment, advanced multidimensional detection schemes, ultrafast spectroscopic techniques, and diffraction-based imaging methods. Many of these techniques are actively pursued by the research groups at the Institute of Physics in Freiburg, providing a direct link between the seminar and ongoing research at our institute.

The Term Paper/Seminar is open for Bachelor and Master students.

Topics:

  • Modern photoelectron spectrometers
  • Molecular complexes studied with IR free electron lasers
  • Velocity-Map-Imaging spectrometers
  • Reaction microscopes
  • Supersonic molecular beams
  • Coherent diffraction imaging using X-ray free-electron lasers
  • Alignment and Orientation of molecules using laser fields
  • Optical centrifuges
  • Deflection of neutral molecular beams using static fields
  • Transient absorption spectroscopy
  • Ultraviolet circular dichroism
  • Photon echo spectroscopy
  • IR Fourier transform spectroscopy
  • Multidimensional rotational spectroscopy

 

Term Paper: Milestones in Attosecond Science

Lecturer: Prof. Dr. Giuseppe Sansone, Dr. Kamal Kumar
Time:
6 ECTS
 

Topics (preliminary):

1. ...
 

Einführung in die Physik mit Experimenten für Natur- und Umweltwissenschaftler/innen

Dozent: apl. Prof. Dr. Bernd von Issendorff
Zeit: 4 + 2 st., Di 10-12, Do 9-11
Ort: Gr. HS
Beginn: 14.10.2025


Inhalte:

Die Studierenden können die wichtigsten Phänomene in den Gebieten der Mechanik, Optik, Elektrizitätslehre, Thermodynamik und Radioaktivität sprachlich und mathematisch beschreiben und einfache Experimente dazu angeben. Sie wenden die Kenntnisse in einfachen Experimenten an und können experimentelle Daten mit der dazugehörigen Fehlerrechnung auswerten.
Die Vorlesung vermittelt die Grundlagen der Physik für Studierende der Naturwissenschaften.
Im Einzelnen werden folgende Themen behandelt:

  • Grundbegriffe der Physik
  • Mechanik starrer und deformierbarer Körper
  • mechanische, Schall- und Lichtwellen
  • Wärme- und Elektrizitätslehre
  • Optik
  • Ionisierende Strahlung

 

Vorkenntnisse:

Schulphysik und -mathematik
 

Einführende Literatur:

Zum selbständigen Vor- und Nacharbeiten der Inhalte wird das Vorlesungsskript und folgende Fachliteratur empfohlen:

  • Tipler: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure
  • Giancoli: Physik
  • Meschede & Gehrtsen: Gehrtsen Physik
  • Pitka u.a.: Physik - Der Grundkurs
  • Stroppe: PHYSIK für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften

 

 
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