Lehrveranstaltungen im Studienjahr 2024/25

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin 

ZEuS

Das wachsende Interesse an Nanomaterialien liegt an Ihren einzigartigen physikalischen Eigenschaften, die ihren Einsatz als Bauelemente mit erweiterten Funktionalitäten in vielen Technologiebereichen (z. B. Nanoelektronik, Datenspeicherung usw.) sehr vielversprechend macht. Im ersten Teil der Vorlesung werden die physikalischen Eigenschaften der neuartigen Nanomaterialien insbesondere auf der Basis von Dünnschichtsystemen und 2D-Materialien diskutiert. Im weiteren Verlauf der Vorlesung widmen wir uns der innovativen Herstellungsmethoden für Nanomaterialien und Nanostrukturen, wie chemische Synthese, Molekularstrahlepitaxie und Lithographie. Im Anschluss konzentrieren wir uns auf die fortgeschrittene Charakterisierung auf der Nanoskala, hauptsächlich basierend auf Rastersondenmethoden und Synchrotron-basierten Techniken. Schließlich widmen wir uns dem Design und der Herstellung von logischen Elementen und Speichereinheiten.

Prof. Dr. Stefan Karpitschka

ZEuS

Themen:

- Introduction to the Earth system:
   - Atmosphere, Oceans, Biosphere
   - Global energy balance
   - Remote sensing techniques
   - History sampling techniques, Milankovitch cycles & Paleoclimate
- Physics of the Atmosphere:
   - Vertical structure
   - Radiative transfer
   - Atmospheric thermodynamics
   - Lateral structure: Fluid mechanics in a rotating frame
   - Atmospheric waves
   - Feedback mechanisms
   - Planetary atmospheres
- Physics of the Oceans
   - Horizontal and vertical structure
   - Fluid mechanics in a rotating frame
   - Thermohaline circulation
   - Waves
- Atmosphere-Ocean-Coupling
   - Feedback mechanisms
   - El Niño and Southern Oscillation
- Biosphere and carbon cycle

apl. Prof. Dr. Giso Hahn

ZEuS

Elektronische Halbleiterbauelemente bestimmen zunehmend unseren Alltag: Mobiltelefone und weitere tragbare Elektronik, LEDs und Solarzellen sind prominente Beispiele hierfür. In der Vorlesung werden die Grundlagen der Kristallherstellung und der weiteren Bearbeitungsschritte zur Herstellung elektronischer Bauelemente diskutiert. Exemplarisch werden ein Verständnis der Funktionsweise einer Solarzelle sowie deren technologische Grenzen und Perspektiven erarbeitet.

­­Prof. Dr. Scheer

ZEuS

Viele Metalle und Verbindungen haben bei tiefen Temperaturen die Fähigkeit elektrischen Strom bis zu einer gewissen Stärke widerstandslos zu transportieren. Dieses im Jahr 1911 entdeckte Phänomen wird Supraleitung genannt, hat vielfältige Anwendungen gefunden und ist nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Die Entdeckung der so genannten Hochtemperatur-Supraleiter (in denen Supraleitung auch oberhalb der Siedetemperatur von Stickstoff, 77,6 K beobachtet werden kann) im Jahre 1986 führte zu verstärkter Forschungsaktivität und zur Entdeckung neuartiger Mechanismen, die zur Supraleitung führen können. Das Ziel der Vorlesung besteht darin, die grundlegenden Eigenschaften von Supraleitern und die beschreibenden Theorien kennen zu lernen, Anwendungen aufzuzeigen, sowie die modernen Aspekte und neuen Entwicklungen z.B. wie Effekte, die nur in kleinen Supraleitern oder an Grenzflächen zu normalen Metallen auftreten, exemplarisch darzustellen. Die Vorlesung richtet sich an Studierende im Masterprogramm Physik und Nanowissenschaften.

Kenntnisse in Festkörperphysik werden vorausgesetzt.

apl. Prof. Dr. Rudolf Haussmann

ZEuS

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation durch Geometrie gekrümmter Räume. Die Materie bewirkt eine Krümmung der vier-dimensionalen Raumzeit, und letztere wiederum bewirkt die Gravitationskräfte auf die Materie. Nach einer kurzen Einführung in die spezielle Relativitätstheorie wird die Theorie gekrümmter Räume (Riemannsche Geometrie) entwickelt und daraus Einsteins Feldgleichungen der Gravitation hergeleitet. Anschließend werden die wichtigsten Lösungen der Gleichungen untersucht und Anwendungen in der Astrophysik betrachtet. Vorhersagen der Theorie werden für statische Gravitationsfelder berechnet und mit Experimenten verglichen (Periheldrehung des Merkurs, Lichtablenklenkung, Rotverschiebung durch Gravitation, Radarechoverzögerung, Lense-Thirring-Effekt). Weitere Themen der Vorlesung sind Gravitationswellen, Sternmodelle (weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher) und Kosmologie (Urknall, Entstehung der Welt).

Dr. Javier del Pino

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Quantum hardware platforms are crucial for advancing a wide range of quantum technologies. These platforms, which include ultracold atomic clouds, ion traps, photons, and superconducting circuits, manage interactions between resonators across space and time to generate, store and manipulate quantum states through methods such as cooling, squeezing, and coupling.

These platforms facilitate the creation of synthetic quantum matter and simulate emergent quantum phenomena or chemical reactions that are typically elusive in natural settings. They also enable the development of critical quantum tools such as sensors and signal amplifiers essential for detecting minuscule quantum signals, vital for major experiments like those at LIGO. 

Complex dynamics in quantum hardware platforms can often be explained through the nonlinear dynamics of coupled resonator models. Therefore, mastering these phenomena is essential for advancing the functionality and capabilities of quantum technologies. This course offers a hands-on approach towards this goal, blending theoretical insights with practical application. You will delve into topics like entanglement, decoherence, many-body interactions, and quantum error correction, applying these concepts through programming in Python and Julia. 

Designed for students with a solid foundation in quantum mechanics, this course will equip you with skills relevant to theoretical research, experimental setups and industry.

Prof. Dr. Guido Burkard

ZEuS

Die Quantenmechanik hat unser Verständnis der fundamentalen physikalischen Gesetzmäßigkeiten grundlegend revolutioniert und liefert die Erklärung vieler technologisch nutzbarer Systeme und Effekte, wie z. B. Halbleiter und Laser. Trotzdem wird Information in den heutigen Rechenmaschinen im Wesentlichen nach den Gesetzen der klassischen Physik verarbeitet. Quantencomputer sind Rechner, deren Funktionsweise gezielt Quantenphänomene wie Superposition und Verschränkung nutzt. Aufgrund dieser grundlegenden Erweiterung sind Quantencomputer zu Berechnungen fähig, welche klassische Rechner nicht mit praktikablem Aufwand bewältigen können, z. B. die Faktorisierung großer Zahlen, die Suche in großen Datenbanken, sowie die Simulation von Quantensystemen wie Molekülen oder Festkörpern. In dieser Vorlesung werden wir uns mit der Theorie der Quantenrechner befassen, d. h. mit Quantenbits, dem Quantenschaltkreismodell, Quantengattern, sowie Komplexitätstheorie. Wir werden die wichtigsten bekannten Quantenalgorithmen kennenlernen, u. a. den Shor-Algorithmus zur Faktorisierung, den Grover-Algorithmus zur Datenbanksuche, und den Harrow-Hassidim-Lloyd-Algorithmus zur Lösung linearer Gleichungssysteme. Außerdem behandeln wir das Thema Quantensimulation, d. h. Simulation quantenmechanischer Systeme auf einen Quantenrechner. In diesem Zusammenhang werden auch hybride Algorithmen behandelt, welche aus klassischen und quantenmechanischen Teilen zusammengesetzt sind. Zur Realisierung von Quantenrechnern sind Methoden zur Quantenfehlerkorrektur erforderlich, welche wir ebenfalls in dieser Vorlesung einführen. Teilnehmer können selbstständig Quantenalgorithmen auf dem IBM-Q Quantencomputer implementieren.

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

ZEuS

Zweidimesionale (2D) Materialien wie Graphen, hexagonales Bornitrid und Übergangs-metalldichalkogenide verfügen über außergewöhnliche mechanischen, optischen, elektronischen und thermischen Eigenschaften und haben ein großes Potential für den Einsatz in funktionellen Baueinheiten für Quantenkommunikation oder Sensorik. Im Rahmen dieses Seminars sollen sowohl die Struktur als auch die elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften dieser neuartigen Materialien diskutiert werden. Insbesondere werden sowohl die Herstellung und die Eigenschaften der 2D Heterostrukturen als auch deren perspektivische technologische Anwendung besprochen.

PD Dr. Alexej Pashkin

ZEuS

Diese Vorlesung richtet sich an Masterstudenten der Physik, Chemie und Nanowissenschaften mit dem Ziel, ihren Hintergrund und ihre Fähigkeiten in der Festkörper- und Halbleiterphysik zu stärken. Theoretische Konzepte der optischen Antwort werden vorgestellt und es wird diskutiert, welche Art von Informationen mit verschiedenen spektroskopischen Techniken erhalten werden können. Neben konventionellen optischen Spektroskopien werden auch neuartige Methoden vorgestellt, bei denen kohärente Strahlung von Quellen auf Beschleunigerbasis und ultrakurze gepulste Laser verwendet werden. Ein besonderer Schwerpunkt der Vorlesung liegt auf modernen Anwendungsbeispielen für Untersuchungen nanoskopischer Halbleitern, zweidimensionalen Materialien, Hochtemperatur-supraleitern usw. Die Vorlesung umfasst folgende Themen:

•    Elektromagnetische Strahlung und ihre Wechselwirkung mit Festkörpern
•    Lichtquellen und Detektoren
•    Lumineszenz-Spektroskopie
•    Infrarotspektroskopie
•    Raman-Streuung
•    Ultraschnelle zeitaufgelöste Anrege-Abtast-Spektroskopie

Dr. Javier del Pino

ZEuS

Quantum optics investigates the interactions between light and matter, ranging from atoms in optical lattices to superconducting circuits. These systems can be controlled with time-dependent forces, allowing for amplification, cooling, squeezing, and coupling. Their versatility is essential in various quantum technologies, such as quantum sensing with quantum-limited amplifiers and optical frequency combs, which are critical for experiments like LIGO. In quantum computing and information processing, quantum optical platforms play a key role in quantum error correction and quantum neural networks.

Quantum optical systems are prime examples of driven dissipative quantum systems, presenting computational challenges as they scale up. Despite this, simulating small quantum systems provides valuable insights into their behavior and helps in understanding recent experiments and complex many-body problems. By engaging with these concepts computationally, you will gain a deeper appreciation of the significance and practical applications of quantum optics in different physics fields.

This hands-on seminar focuses on the computational exploration of Quantum Optics using Python (QuTiP) and/or Julia Notebooks (QuantumOptics.jl). We will delve into quantum optics research through scientific papers and book chapters, focusing on small quantum systems that can be handled by classical computers. You will reproduce and discuss findings from these sources, culminating in a talk supported by reproducible notebooks.

This seminar is open to experimentalists, theorists, and curious scientists of all backgrounds.

Prof. Dr. Wolfgang Belzig

ZEuS

Superconductivity and magnetism are the basis of many quantum technologies. In the seminar we will develop the theory of the modern instances of magnets and superconductors. Quantum field theory is the foundation of all many-body phenomena and underlying our treatment of superconductors and magnetism. In the seminar we plan to bridge between the basic phenomenology of superconductivity and magnetism to modern applications like Andreev spin quantum bits and magnons as quantum information carriers. 

Tentative List:
- Bardeen-Cooper-Schrieffer theory Superconductivity
- Inhomogeneous situation: Bogolobuv-de Gennes equations
- Andreev reflection and Andreev bound states
- Andreev spin quantum bit
- Topology in multi-terminal structures 
- Magnetic interactions and magnetism
- Ferromagnets and magnons
- Antiferromagnets and squeezed magnons 
- Magnet-Supercnductor-Heterostructures

Florian Vogel & Jun. Prof. Alexandra Blessing

ZEuS

Dieses Seminar gibt eine Einführung in die faszinierende Welt der Zufallsmatrizen und ihre Anwen- dungen in verschiedenen Bereichen der Mathematik und Physik.

Kurzbeschreibung

detaillierte Beschreibung

Stefan Gerlach

ZEuS

Wissenschaftliches Fehlverhalten und Schwächen im Forschungsumfeld sowie deren viefältige Ursachen sind seit vielen Jahren in Diskussion und tauchen immer wieder in den Medien auf. Prominente Beispiele wie die Betrugsfälle von Jan Hendrik Schön haben dazu beigetragen, dass es inzwischen Leitlinien und Satzungen für eine gute wissenschaftliche Praxis gibt, die solche Probleme verhindern sollen.
Damit diese Problematik auch den angehenden Forschenden (d.h. Bachelorstudierenden) bekannt wird, soll dieses Seminar Themen rund um eine gute wissenschaftliche Praxis behandeln und zur Diskussion stellen. Aufbauend auf dem neuen Kurs "Methodenkenntnisse für die Bachelorarbeit" werden dabei Themen wie

- Was ist Wissenschaft und welche Probleme gibt es?
- Was bringt Open Science?
- Wie funktioniert Forschungsdatenmanagement?
- Was ist bei Forschungssoftware zu beachten?
- Gutes Wissenschaftliches Schreiben

von den Teilnehmern vorgestellt und in der Gruppe diskutiert.

Prof. Dr.  Alfred Leitenstorfer

ZEuS

Der Laser stellt das zentrale Werkzeug für die Grundlagenforschung mit optischen Methoden dar und bildet darüber hinaus die Basis der modernen photonischen Technologien. Der erste Teil der Vorlesung hat die Physik dieser besonderen Lichtquelle zum Inhalt. Ein erster Block behandelt die grundlegenden Modelle zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Darauf aufbauend werden an Hand konkreter Beispiele verschiedene Lasertypen und deren Funktions­­prinzipien besprochen.

Im zweiten Teil steht das Themenfeld der nichtlinearen Optik im Vordergrund. Es handelt sich hierbei um das nur mit Lasern erreichbare Regime der Licht-Materie-Wechsel­wirkung bei hohen Intensitäten. Nach einer Einführung in die Grundprinzipien werden einige Beispiele aus der Vielzahl nichtlinear-optischer Phänomene herausgegriffen, die für Anwendungen besonders wichtig sind.

Es ist geplant, den Stoff der Vorlesung in den Übungen weiter zu vertiefen und in der Praxis greifbar werden zu lassen. Hierzu dienen Kurzvorträge zu ausgewählten Themen und Labor­demonstrationen, die jeweils von Studenten unter Anleitung eines Betreuers vorbereitet werden.

Voraussetzungen:

• Grundvorlesungen über Elektrodynamik, Optik und Atomphysik
• Grundlagen der Quantenmechanik

Literatur:

• P. W. Milonni, J. H. Eberly „Lasers” (englisch), Verlag J. Wiley & Sons:
  Basis für Vorlesung, vertieft für Laser + Theorie, einführend nichtlineare Optik
• F. K. Kneubühl, M. W. Sigrist „Laser” (deutsch), Teubner Studienbücher:
  relativ günstiges Buch zur Laserphysik
• A. Yariv „Quantum Electronics“ (englisch), Verlag J. Wiley & Sons:
  Grundlagen Theorie + vertieft nichtlineare Optik
• A. E. Siegman „Lasers“ (englisch), University Science Books:
  umfassendes Buch zur Laserphysik

Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende

ZEuS

In der Vorlesung werden organische, hybride und Perowskitsolarzellen vorgestellt, einschließlich ihrer spezifischen physikalischen Eigenschaften und Herstellungsmethoden. Ein Vergleich zu konventionellen anorganischen Solarzellen wird hergestellt und die Besonderheiten dieser neuartigen Solarzellentechnologien herausgearbeitet.
In der Vorlesung werden folgende Inhalte behandelt:
Einführung in organische Halbleiter und Halbleiterübergänge
Funktionsmechanismen organischer, hybrider und Perowskitsolarzellen
Architekturen organischer und hybrider Solarzellen (rein-organische Solarzellen, Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen, Hybrid-Solarzellen, Perowskit-Solarzellen)
Charakterisierungstechniken

Herstellungsmethoden und Solarzellen-Lebensdauern
Aktuelle Themen aus diesem Forschungsgebiet

Prof. Dr. Clemens Bechinger

ZEuS

Kolloidale Suspensionen haben sich erfolgreich als Modellsysteme in der Physik etabliert und erlauben detaillierte Einblicke in komplexe physikalische Vorgänge. Insbesondere in Situationen, wo thermische Fluktuationen und externe Felder eine große Rolle spielen, lassen sich durch die experimentelle Echtzeitbestimmung von Teilchentrajektorien präzise Einblicke in das Verhalten großer Teilchenensembles gewinnen. Die Vorlesung gibt zunächst eine Einführung in die Eigenschaften kolloidaler Systeme und zeigt, wie sich deren statische und dynamische Eigenschaften durch Methoden aus der statistischen Physik quantifizieren lassen. Anschließend werden wir anhand von aktuellen Beispielen (Kristallisation, Glasübergang, stochastische Thermodynamik, kritische Fluktuationen, Reibung ...) zeigen, dass sich mit kolloidalen Suspensionen grundlegende, skalenübergreifende Erkenntnisse aus dem Bereich der Festkörper-, Bio- und der statischen Physik gewinnen lassen. Die Übungen bestehen einerseits aus einer Einführung in MatLab und deren Verwendung für die Berechnung statistischer Größen aus experimentellen Daten. Ferner stellen die Studierenden anhand von Kurzvorträgen spezielle Themen zur Vertiefung vor.

Prof. Dr. Elke Scheer

ZEuS

In dieser Vorlesung werden neuartige Phänomene diskutiert, die im elektronischen Transport durch Nanostrukturen auftreten. Sie beruhen zumeist auf den Welleneigenschaften der Elektronen, Wechselwirkungen zwischen Elektronen und/oder auf der Quantelung der Elementarladung. Dazu gehören Quanteninterferenz-Effekte wie z. B. der Aharonov-Bohm-Effekt oder universelle Leitwertfluktuationen, die Schwache Lokalisierung, die Leitwertquantisierung, Ladungseffekte (z. B. Einzel-Elektronen-Transistor), sowie einige Aspekte der molekularen Elektronik und der Magnetoelektronik. Wir werden auch die zugrundeliegenden Theorien des Quantentransports (Landauer-Büttiker-Formalismus, Orthodoxe Theorie, u. a.) kennenlernen. Die Vorlesung richtet sich an Studierende der Masterstudiengänge Physik und Nanoscience und setzt Kenntnisse in Festkörperphysik voraus. Die begleitenden Übungen beinhalten sowohl Präsenzübungen als auch Laborexperimente.

Prof. Dr. Ulrich Nowak

ZEuS

Numerische Simulationsverfahren spielen in der modernen Festkörperphysik eine entscheidende Rolle, da hier nur wenige analytische Methoden zur Verfügung stehen und bei diesen meist Näherungen gemacht werden müssen. Computersimulationen können dagegen praktisch näherungsfrei sein und zum Teil numerisch exakte Analysen von komplexen Systemen ermöglichen. Die Vorlesung gibt eine Einführung mit praktischen Programmierbeispielen, die in den Übungen behandelt werden. Themen sind: Molekulardynamiksimulationen, stochastische Differentialgleichungen und Monte Carlo Verfahren.

Stefan Gerlach

ZEuS

Wissenschaftliches Fehlverhalten und Schwächen im Forschungsumfeld sowie deren viefältige Ursachen sind seit vielen Jahren in Diskussion und tauchen immer wieder in den Medien auf. Prominente Beispiele wie die Betrugsfälle von Jan Hendrik Schön haben dazu beigetragen, dass es inzwischen Leitlinien und Satzungen für eine gute wissenschaftliche Praxis gibt, die solche Probleme verhindern sollen.
Damit diese Problematik auch den angehenden Forschenden (d.h. Bachelorstudierenden) bekannt wird, soll dieses Seminar Themen rund um eine gute wissenschaftliche Praxis behandeln und zur Diskussion stellen. Aufbauend auf dem neuen Kurs "Methodenkenntnisse für die Bachelorarbeit" werden dabei Themen wie

- Was ist Wissenschaft und welche Probleme gibt es?
- Was bringt Open Science?
- Wie funktioniert Forschungsdatenmanagement?
- Was ist bei Forschungssoftware zu beachten?
- Gutes Wissenschaftliches Schreiben

von den Teilnehmern vorgestellt und in der Gruppe diskutiert.