Lehrveranstaltungen im Studienjahr 2022/23

apl. Prof Dr. Giso Hahn

ZEuS

Vorschau

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.

Stand: 26.07.2022

Prof. Dr. Angelo Di Bernardo

ZEuS

After more than 100 years since its discovery by Heike Kamerlingh Onnes in 1911, superconductivity remains one of the most tantalizing and extensively investigated phenomena in condensed matter physics. This course will review the fundamentals of superconductivity and explain, through the support of research findings from the most recent scientific literature, the main technological applications where superconducting materials have played or can play a major role. In particular, after reviewing the peculiar properties of superconductors (Meissner effect, superconducting transition, thermodynamic properties etc.), the microscopy Bardeen-Cooper-Schrieffer theory for conventional superconductors and the phenomenological Ginzburg Landau theory will be introduced. The concept of unconventional superconductivity will also be explained along with experimental spectroscopic techniques used to determine the nature of the superconducting gap. The Josephson effect will then be presented along with its applications for superconducting circuits. The major technological applications of superconductors will be finally reviewed including ultrasensitive magnetometers, magnetic levitation (maglev) trains, particle detectors, RF and microwave filters for telecommunications, digital circuits with high energy efficiency and quantum computers.

Stand: 26.07.2022

Prof. Dr. Martina Müller

ZEuS

Photonen ermöglichen faszinierende Einsichten in den elektronischen und magnetischen Aufbau von Materialien. In der Vorlesung werden die Grundlagen von Spektroskopie- und Mikroskopiemethoden im Labor und an Synchrotron-Großforschungsanlagen erklärt. Die Vielfalt an Experimenten wird anhand von Beispielen zu Festkörpern, Dünnschichtsystemen und Nanostrukturen erläutert. Ein Fokus liegt dabei auf dem Verständnis von elektronischen, ferromagnetischen und ferroelektrischen Materialeigenschaften.

Stand: 26.07.2022

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

ZEuS

Die moderne Datenspeicherung und Sensorik auf der Basis von magnetischen Phänomenen lässt sich aus dem Alltag mittlerweile nicht mehr wegdenken. Durch die rasante Entwicklung sowohl im theoretischen Verständnis, als auch in der experimentellen Herstellung von neuen Materialien und Strukturen konnte in den letzten Jahren z.B. die Speicherdichte in magnetischen Speichermedien exponentiell gesteigert werden. In dieser Vorlesung behandeln wir magnetische Phänomene ausgehend von den Grundlagen bis hin zu relevanten Fragestellungen aus der aktuellen Forschung. 

Nach der Diskussion der grundlegenden Magnetismusarten (Dia-, Para-, Ferro-, Antiferro-, Ferrimagnetismus) werden anschließend mikroskopische Modelle für die Kopplung Aus- tauschwechselwirkung entwickelt. Darauf aufbauend sollen die wichtigsten Aspekte wie magnetische Anisotropie, Temperaturabhängigkeiten, Oberflächen- und Grenzflächeneffekte usw. behandelt werden. Ein derzeit hochaktuelles anwendungsorientiertes Forschungsgebiet umfasst die Analyse von spinabhängigen Transportphänomenen und Spinelektronik, bei der die Wechselwirkung zwischen Magnetismus und elektrischem Strom untersucht wird (Riesen- und Tunnel-Magnetowiderstand, Spin-Transfer Effekte, etc.). 

Der Stoff der Vorlesung wird in der begleitenden Übung weiter vertieft. 

Stand: 26.07.2022


 

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.

Stand: 26.07.2022

Dr. Ron Tenne

ZEuS

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"What is light composed of? This question is arguably as old as civilization itself. Quantum optics is a branch of science that was ignited by the above question more than a century ago and is now heading a technological revolution.
This course will begin with a description of the theoretical treatment of light in the quantum regime  through  the  second quantization  formalism.  Applying this formalism,  we  will describe what differentiates quantum states of light from their classical analogue, the coherent state. We will then delve into some of the essential phenomena of quantum optics such as the uncertainty principle,  vacuum  fluctuations,  quadrature  squeezing,  photon  antibunching  and  Hong-Ou- Mandel interferometry.
A second tier of the course will link the theoretical concepts with their physical manifestation in experiments. The basics of light-matter interaction will be applied to understand different ways to generate, manipulate and detect quantum states of light. Finally, we will discuss the second quantum revolution, the potential to harness quantum states of matter and light in order to meet some of the greatest current technological challenges. Here, we will discuss prominent examples of applying quantum resources in computation, communication and light microscopy with the aim of exposing the students to some of the opportunities the academic and high-tech sectors have to offer.
The  course  targets  master  students  and  PhD  candidates  with  solid  foundations  in  quantum mechanics and electromagnetism."

Stand: 01.09.2022

Prof. Dr. Wolfgang Belzig

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In der Vorlesung sollen grundlegende theoretische Konzepte zur Beschreibung von Vielteilchensystemen in Festkörpern eingeführt werden. Insbesondere werden Transport und Ordnungsphänomene studiert, die auf den Quanteneigenschaften der elementaren Anregungen basieren.

•Elektronen (Drude-Modell, Sommerfeldmodell der Metalle, Boltzmann Theorie)
•Phononen (Klassische Gitterschwingungen, Quantentheorie der Phononen)
•Magnetismus (Para- und Diamagnetismus, Magnetische Wechselwirkung und Ordnung)
•Supraleitung (Phänomenologie, BCS-Theorie, Mesoskopische Supraleitung)

Die grundlegenden Betrachtungen werden durch moderne Forschungsergebnisse in elektronischen, magnetischen und mechanischen Nanosystemen illustriert und so eine Verbindung zu aktueller Forschung hergestellt.

Stand: 26.07.2022

Prof. Dr. Matthias Fuchs

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While statistical mechanics has been very successful in describing matter in equilibrium, all natural processes occur in nonequilibrium. Some transport and relaxation processes stay close to equilibrium and can be understood well, many natural phenomena, however, take place far from equilibrium and require novel concepts. The lecture will provide an introduction into the theoretical concepts and methods which presently are being developed and applied to understand the dynamics of many-body systems out of equilibrium, such as open, driven, active, information processing, biological, and evolutionary systems. While no unifying theory of nonequilibrium yet exists, the lecture will provide a guide to the ongoing research that has the potential to reach far beyond physics into the sciences and technology.

Topics: Linear response theory; Stochastic processes; Functional integrals; Entropy variational principles; Large deviation formalism.

Applications will include examples ranging from phase transformation kinetics and pattern formation to biophysics and information processing.

Prerequisites: Integrated Course Physics, Statistical Mechanics

Literature:

‘Nonequilibrium Statistical Physics’, R. Livi & P. Politi (Cambridge UP, 2017)

‘Field Theory of Non-Equilibrium Systems’, A. Kamenev (Cambridge UP, 2011)

‘ Nonequilibrium liquids’, D. Evans & G. Morriss (Cambridge UP, 2008)

‘Information Theory, Inference, and learning algorithms’, D. MacKay (CUP, 2003) 

 

Stand: 27.07.2022

apl. Prof. Dr. Rudolf Haussmann

ZEuS

Die Hydrodynamik beschreibt die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen. Im ersten Teil werden die Grundlagen dargestellt. Die hydrodynamischen Gleichungen werden aus allgemeinen physikalischen Prinzipien hergeleitet, zunächst für ideale Flüssigkeiten und anschließend für reale Flüssigkeiten mit Dissipation und Erzeugung von Entropie. Elementare Anwendungen werden betrachtet wie Schallwellen, Strömungen und Wärmeleitung. Die Theorie der laminaren und turbulenten Grenzschichten für die Umströmung von Körpern wird entwickelt. Im zweiten Teil wird die Strömung von Luft um ein Flugzeug untersucht, um die aerodynamischen Kräfte wie Auftrieb, Widerstand und Drehmoment zu berechnen. Die Bewegungsgleichungen eines Flugzeugs werden hergeleitet und diskutiert, um die elementaren Bewegungen wie Nicken, Rollen, Spiralen und Taumeln zu verstehen. Als zentrales Ergebnis findet man unterschiedliche Flugeigenschaften für große Flugzeuge, mittelgroße Vögel und kleine Insekten. Im dritten Teil werden einige hydrodynamische  Instabilitäten behandelt, welche durch den Einfluss von Gravitation, Temperaturgradienten und Scherströmungen hervorgerufen werden: Kelvin-Helmholtz-Instabilität (Entstehung von Wasserwellen durch Wind) und Rayleigh-Bernard-Instabilität (Konvektion im Kochtopf). Weiterhin wird der Übergang zu Chaos und Turbulenz untersucht. Zum Schluss wird die voll entwickelte Turbulenz betrachtet (Energiekaskade, Skalenverhalten, Theorien von Richardson und Kolmogorow).

Stand: 26.07.2022

Prof. Dr. Lukas Schmidt-Mende

ZEuS

Vorschau

Im Pariser Klimaabkommen haben sich fast 200 Staaten auf eine maximale Temperaturerhöhung von deutlich unter 2°C geeinigt, mit dem Ziel die 1,5° möglichst nicht zu überschreiten. Wir wollen uns in diesem Seminar mit den Folgen des Klimawandels befassen und Szenarien überlegen, wie das Ziel des Pariser Klimaabkommens noch eingehalten werden kann. In dem Seminar wollen wir uns dabei mit folgenden Themen etwas intensiver auseinandersetzen.

• Klimawandel, CO₂ und andere Treibhausgase
• Kipppunkte im Klimagefüge
• Erneuerbare Energien: Möglichkeiten und Limitierungen
• Energieeinsparmöglichkeiten

Ziel des Seminars ist es zum einen die möglichen und teilweise dramatischen Auswirkungen der globalen Temperaturerhöhung aus physikalischer Sicht zu betrachten und zum anderen zukunftsweisende Lösungsansätze zu besprechen, die zur konkreten Umsetzung geeignet scheinen. Dabei soll viel Raum einer ausführlichen Diskussion gegeben werden.

Stand: 26.07.2022

Prof. Dr. Sebastian Goennenwein

ZEuS

Vorschau

Magnetische Datenspeicher spielen in der modernen Informationstechnologie eine wichtige Rolle. In einem magnetischen Speicher wird ein digitales Bit (0 oder 1) üblicherweise in der Orientierung der Magnetisierung (z.B. „nach oben“ oder „nach unten“) in einem kleinen Volumen aus magnetischem Material gespeichert. Viele solcher magnetischen Bits nebeneinander bilden dann den magnetischen Speicher. Der große Vorteil von magnetischen Datenspeichern ist ihre Nicht-Flüchtigkeit: die Daten bleiben in geeigneten Strukturen über Jahre oder Jahrzehnte erhalten, ohne dass dazu Energie zugeführt oder der Speicher aufgefrischt werden müsste. Um allerdings eine kontinuierliche Erhöhung der Speicherdichte zu ermöglichen, sind immer wieder neue Ansätze für das elektrische Auslesen bzw. Schreiben der „magnetischen“ Information notwendig – oder sogar ganz neue Speicher-Konzepte.

Im Seminar wollen wir einerseits die physikalischen Grundlagen der magnetischen Datenspeicherung diskutieren. Dazu gehören neben den Eigenschaften des magnetischen Speichermaterials selbst insbesondere auch verschiedene magneto-elektrische Effekte, die ein schnelles und empfindliches elektrisches Auslesen oder das Schreiben der digitalen Information, d.h. das Ummagnetisieren eines kleinen Volumenelements, ermöglichen. Andererseits wollen wir die Grenzen der heutigen magnetischen Speichertechnologie aufzeigen und neuartige Speicherkonzepte besprechen. Dazu gehören neben dem sog. magnetic random acces memory (MRAM) vor allem dreidimensionale Speicher (magnetic racetrack memory) und topologische Magnete (skyrmion memory).

Magnetic data storage has played and still plays a key role in modern information technology. In a magnetic memory, a digital bit (0 or 1) is stored in the orientation of the magnetization (e.g. "up" or "down") in a small volume of magnetic material. Many such magnetic bits next to one other then represent the magnetic memory. The great advantage of magnetic data storage devices is their non-volatility: in suitable structures, the data are retained for years or even decades without the need for energy supplies or refreshing processes. However, in order to ensure a continuous increase in storage density, new approaches for the electrical readout and writing of "magnetic" information are necessary – or even radically new storage concepts.

In the seminar, we on the one hand will discuss the physical foundations of magnetic data storage technology. In addition to the properties of the magnetic materials themselves, this also includes various magneto-electrical effects that enable a fast and sensitive electrical readout or writing of digital information, i.e. the remagnetization of a small volume element. On the other hand, we want to address the limitations of today's magnetic storage technology and discuss novel storage concepts. In addition to the so-called magnetic random access memory (MRAM), these in particular include three-dimensional memories (magnetic racetrack memory) and topological magnets (skyrmion memory).

Stand: 26.07.2022

Prof. Dr. Clemens Bechinger

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Fluktuationen sind – selbst am absoluten Temperaturnullpunkt und im Vakuum – in allen realen Systemen präsent und für das Verständnis der Eigentschaften von Materie von enormer Bedeutung. Tatsächlich hätte die Abwesenheit von Fluktuationen gravierende Auswirkungen auf viele physikalische Phänomene und Anwendungen. In unserem Seminar wollen wir anhand von Beispielen aus dem Bereich der weichen kondensierten Materie diskutieren, wie sich thermische Flukutationen im und weit weg vom thermischen Gleichgewicht auswirken. Neben der grundlegenden Rolle von Fluktuationen auf die Dynamik und das Phasenverhalten weicher kondensierte Materie, wollen wir anhand von konkreten Beispielen aus dem Bereich der Nanotribologie, thermischer Ratschen, stochastischer Resonanz, mikroskopischer Thermodynamik etc. den Einfluss von Rauschen diskutieren.

Stand: 26.07.2022

apl. Prof. Dr. Mikhail Fonin

ZEuS

Dieses Seminar widmet sich den jüngsten experimentellen Fortschritten bei der Untersuchung elektronischer und magnetischer Eigenschaften von Strukturen im atomaren und molekularen Bereich auf Oberflächen. Eine Reihe experimenteller Beispiele wird in Verbindung mit den grundlegenden Aspekten des Magnetismus und des spinabhängigen Transports diskutiert. Im Fokus stehen Local-Probe-Methoden (Rastertunnelmikroskopie) sowie chemisch sensitive Techniken (Röntgen-Zirkularmagnetdichroismus). Experimentelle Herausforderungen bei der Herstellung und Untersuchung solcher Strukturen sowie deren mögliche Anwendungsperspektive werden ebenfalls diskutiert.

Stand: 26.07.2022

PD Dr. Alexej Pashkin

ZEuS

Vorschau

Abstract:

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

Stand: 26.07.2022

Dr. Soon Jung Jung

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This course is intended give physics and chemistry students of the 5^th and higher semester a broad introduction into experimental measurement techniques and principles applied in front end research of condensed matter and nanophysics. The contents cover chemical and physical nanostructure fabrication methods, high resolution microscopy (electron, optical, scanning probe microscopy), essential experimental techniques (ultrahigh vacuum, low signal processing, cryogenics), and various spectroscopy methods (x-ray, electron). The lecture series is organized as an online block course. Besides providing a solid background, it will focus on the crucial, hands-on-details which will make cutting edge experiments work, details which are usually not taught in text books. The course will be held in English. Interested students should contact us via mail

Stand: 26.07.2022

PD Artur Erbe/ Prof. Dr. Elke Scheer

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Elektronische Bauteile werden immer weiter verkleinert und erreichen bereits kleinste Strukturgrößen von einigen wenigen Nanometern. Für die Skalierung zu  kleinstmöglichen Bauteilen können organische Moleküle Möglichkeiten bieten, elektronische Schaltungen zu entwickeln. Diese Vorlesung beschäftigt sich zuerst mit den grundlegenden theoretischen Modellen, die zum Verständnis des Ladungstransports auf der molekularen Skala benötigt werden. Experimentelle Methoden zur Kontaktierung einzelner Moleküle, wie zum Beispiel Elektromigration, mechanisch kontrollierbare Bruchkontakte oder Rastertunnelmikroskopie, werden vorgestellt. In weiteren Beispielen werden spezielle Anwendungsmöglichkeiten der einzelnen Moleküle als elektronische Bauteile besprochen. Die Vorlesung richtet sich an Studierende der Chemie oder der Physik im Master Studium. Die Veranstaltung wird als Blockkurs mit begleitenden Experimenten am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf vom 6.3.2023 bis zum 10.3.2023 durchgeführt.

Stand: 26.07.2022

PD Dr. Anton Plech

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Nanoskopische Strukturen kommen in alltäglichen Bereichen und technologischen Anwendungen häufig vor. Neben den einzigartigen Eigenschaften von kondensierter Materie auf der Nanoskala sind Fragen der negativen Auswirkungen und der Zugang über moderne Analytik wichtige Aspekte. In diesem Seminar sollen bekannte und weniger bekannte Effekte und Objekte mit ihren physikalischen Grundlagen diskutiert und der Zugang zu Eigenschaften beschreiben werden. Der Themenbereich umfasst interdisziplinäre Fragestellungen, wie Nano-Optik, Nanoelektronik, Biophotonik, Feinstaub oder Antihaftbeschichtungen.

26.07.2022

Dr. Niklas Rohling/ Prof. Dr. Wolfgang Belzig

ZEuS

Supraleitung und Magnetismus sind die grundlegendsten Ordnungsphänomene in der Festkörperphysik die sich antagonistisch gegenüber stehen. Bringt man unterschiedliche Materialien in Nanostrukturen zusammen, entstehen unerwartete Wechselwirkungen, die beispielsweise neuartige Funktionalitäten zeigen. Im Seminar sollen die Grundlagen der elementaren Anregungen in Supraleitern und in magnetischen Materialien erarbeitet werden, sowie deren Wechselwirkung an Grenzflächen studiert werden.

Einzelne Themen sind:

- Magnonen-Theorie
- Spin-Transport durch Magnonen
- Spin-Seebeck Effekt
- Magnonen-Kondensation
- Supraleitung: BCS Theorie
- Andreev-Reflexion und Spin-Polarisation
- Proximity-Effekt in Supraleiter-Normalleiter-Systemen
- Proximity-Effekt in Supraleiter-Ferromagnet-Systemen
- Triplet-Supraleitung durch inhomogene Magnetisierungen
- Magnonen-indizierte Supraleitung

Stand: 27.07.2022

Prof. Dr. Peter Nielaba

ZEuS

Das Seminar behandelt moderne Methoden der Simulation von Vielteilchensystemen, wobei eine Vielzahl von Themen behandelt werden können:
Zufallszahlen, Molekulardynamik, Monte Carlo, Pfadintegral Monte Carlo, Oberflächenwachstum, Zelluläre Automaten, Himmelsmechanik, Stochastische Optimierung, Smoothed Particle Hydrodynamics, Dichtefunktionaltheorie, Klimamodellierung, und weitere Themen.

26.07.2022

 Dr. Regina Finsterhölzl, Dr. Joris Kattemölle

ZEuS

Das Seminar führt in die Theorie der Quanteninformation und der Quantenverschränkung ein und vertieft anhand von studentischen Projekten die zentralen Konzepte und Fragestellungen dieser Forschungsfelder. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Quantenmechanik und der klassischen Informationstheorie werden das Dichtematrixbild und die Verschränkung reiner und gemischter Zustände behandelt. Aufbauend darauf stehen Themen wie die Bellschen Ungleichungen, dichte Kodierung und quantenmechanisches Erzeugen von sicheren Schlüsseln als Vertiefungsthemen zur Wahl. Im Bereich Quanteninformation sind Themen wie klassische Shannontheorie, Quantenentropie, die Beschreibung und Charakterisierung von Quantenkanälen sowie die Kapazität eines Quantenkanals Gegenstand des Seminars.

Das Seminar richtet sich sowohl an Physikstudent*innen als auch an Student*innen der Informatik. In den ersten Sitzungen wird in die benötigten Grundlagen der beiden Disziplinen eingeführt. Voraussetzung sind lediglich Grundkenntnisse der linearen Algebra. Auch Student*innen der Vorlesung Quantencomputing sind willkommen und können ihr Wissen in den oben genannten Bereichen erweitern.

Mögliche Themen für Vorträge sind etwa:

• Entropie und klassische Shannontheorie;
• Quanten Entropie und Kapazität eines Quantenkanals;
• Bellsche Ungleichungen;
• Verschränkung gemischter Zustände;
• Ähnlichkeits- und Abstandsmaße für Quantenkanäle;
• Quantenfehlerkorrektur;
• Quantenmechanisches Erzeugen von sicheren Schlüsseln
• …

(Stand: 12. August 2022)

Prof. Dr. Martina Müller

ZEuS

Photonen ermöglichen faszinierende Einsichten in den elektronischen und magnetischen Aufbau von Materialien. In der Vorlesung werden die Grundlagen von Spektroskopie- und Mikroskopiemethoden im Labor und an Synchrotron-Großforschungsanlagen erklärt. Die Vielfalt an Experimenten wird anhand von Beispielen zu Festkörpern, Dünnschichtsystemen und Nanostrukturen erläutert. Ein Fokus liegt dabei auf dem Verständnis von elektronischen, ferromagnetischen und ferroelektrischen Materialeigenschaften.

Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer

ZEuS

Halbleitende Materialien und deren Nanostrukturen bilden die Basis der modernen Festkörper-Elektronik und liefern gleichzeitig viele aktuelle Fragestellungen zu grundlegende Forschungsarbeiten in der Physik kondensierter Materie. Die Vorlesung liefert das Rüstzeug für einen Einstieg in die moderne Halbleiterphysik und deren Anwendungen.

Im ersten Teil der Lehrveranstaltung stehen die physikalischen Materialeigenschaften im Vordergrund: Zunächst werden die Elementaranregungen des elektronischen Systems und des Gitters im perfekten Halbleiterkristall, sowie deren Kopplungen eingeführt. Für die technische Nutzung sind gezielte Verunreinigungen („Dotierung“) mit Fremdatomen entscheidend, die anschließend behandelt werden. Danach stehen die klassischen Themenfelder „elektronischer Transport“ und „optische Eigenschaften“ auf der Agenda. Eine Einführung in die Physik dimensionsreduzierter Halbleiter-Quantenstrukturen rundet die Darstellung der material­wissenschaftlichen Aspekte ab.

Der zweite Abschnitt der Vorlesung bietet aufbauend auf den physikalischen Grundlagen einen Überblick über die Funktionsweise moderner Bauelemente. Es wird eine Reihe von Beispielen besprochen, unter anderem der MOS-Feldeffekt-Transistor und die Halbleiter-Laserdiode.

Voraussetzungen:

• Grundlagen der Festkörperphysik
• Grundlagen der Quantenmechanik

Einführende Literatur:

• P. Y. Yu, M. Cardona: „Fundamentals of Semiconductors“, Springer Verlag
• S. M. Sze: „Physics of Semiconductor Devices“, John Wiley & Sons

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

Stand: 16.05.2022

Prof. Dr. Peter Baum

ZEuS

Das Elektronenmikroskop ist eines der vielseitigsten und besten Instrumente zur Beobachtung von allerkleinsten Strukturen in hoch komplexen Materialien. Im Unterschied zu Licht haben Elektronen als Materiewellen eine hunderttausendfach kleinere de Broglie-Wellenlänge und bieten daher sub-atomare Auflösung. Elektronen haben außerdem eine Ladung, so dass elektrische und magnetische Felder zur Formung von Strahlen und Bildern verwendet werden können. In dieser Vorlesung behandeln wir die Physik des Elektronenmikroskops (Elektronenerzeugung, Strahlformung, Abbildungsmechanismen, Spektroskopie, Beugung und Phasenrekonstruktion, Transmissions- und Rastermethoden etc.) sowie aktuelle Fragestellungen aus der Biophysik, Nanophotonik und ultraschnellen Dynamik der atomaren und elektronischen Bewegungen anhand von aktuellen wissenschaftlichen Publikationen. Sie sollen gleichberechtigt die physikalischen Grundlagen der Elektronenmikroskopie verstehen, aber auch einen Einblick in diverse und höchst aktuelle Fragestellungen der modernen Forschung gewinnen, die durch Visualisierung von Atomen und Elektronen in Raum und Zeit gelöst werden.

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.

Stand. 21.05.2021

Prof. Dr. Oded Zilberberg

ZEuS

Parametric phenomena lies at the focus of numerous research fields today. The term `parametric' refers to an (out-of-equilibrium) periodic modulation of a resonator's potential, be it through the change in the tension of a mechanical string, due to waves hitting a ship, a variation in the effective capacitance of an electrical resonator, or an increase of the polarization of an optical medium in response to electromagnetic waves. All of these seemingly disparate examples obey very similar equations, and can be used for various technological applications in their respective frequency domains. At this masters level course, we aim at revealing the physics behind parametric effects in a flipped-classroom workshop. We will perform numerical experiments that mimic the signal expected to be seen in the lab, and develop analytical methods to explain the observed effects. We will start within the classical domain and reveal in the second half of the semester how the various effects manifest also within a quantum mechanical treatment. The course is also open for interested graduate students.

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.

Stand: 20.05.2022

Dr. Niklas Rohling

ZEuS

Die Vorlesung behandelt Transport-Phänomene in modernen Materialien und Nanostrukturen. Dies beinhaltet den Transport von elektrischer Ladung, Wärme, Drehmoment in elektrischen, magnetischen und anderen Systemen. Wichtige Phänomene und Konzepte sind
- Streutheorie (Laudauer-Büttiker-Formel, Andreev-Streuung),
- Coulomb-Blockade in normalen und supraleitenden Systemen,
- Wärme-, thermoelektrischer und thermomagnetischer Transport,
- Schrotrauschen und volle Zählstatistik,
- Quanten- und klassischer Transport in elektrischen Leitern und Isolatoren,
- Zeitabhängiger Transport (mit Floquet-Theorie).

Stand: 03.01.2023

Prof. Dr. Peter Baum

ZEuS

Die Physik umfasst eine unglaubliche Spannweite an Größen, und sich darin mittels überschlagmäßiger Rechnungen und Abschätzungen schnell zurechtzufinden, sollte zum Grundhandwerk gehören. In diesem Seminar werden Sie lernen, physikalische Zusammenhänge schnell zu erfassen und Effekte überschlagmäßig zu rechnen, mit oder ohne Bleistift und Papier. Zusammen trainieren wir diese Art der schnellen Rechnungen an Beispielen aus der kompletten Physik, insbesondere solchen, wo verschiedene Teilgebiete überlappen. Sie und die anderen Teilnehmer werden selbst aktiv arbeiten - mit WWW, Taschenrechner, Stift und Papier. Sie werden lernen, Situationen in Natur und Technik mit einfachen physikalischen Konzepten zu "begreifen", aber nicht nur qualitativ, sondern mit realistischen Zahlen auch in ungewöhnlichen Situationen. Hintergrundinformationen und Ausblicke zur jeweiligen Physik erarbeiten wir im Gespräch.

Privatdozent Dr. Urs Gasser

ZEuS

Neutronenstreuung ist aufgrund der Wellenlänge und der kinetischen Energie thermischer Neutronen ideal für die Untersuchung der Struktur und Dynamik kondensierter Materie geeignet. Insbesondere für die Aufklärung magnetischer Strukturen und Anregungen und auch für unser Verständnis der Struktur und Dynamik von Materialien, die leichte Atome wie Wasserstoff enthalten, bieten Neutronen einzigartige Vorteile. Die Vorlesung gibt eine Einführung in die Theorie und die experimentellen Methoden der Neutronenstreuung. Die Aufklärung atomarer und magnetischer Strukturen und deren Anregungen sowie die Untersuchung von weicher Materie (z. B. Partikel in Lösung) wird besprochen.

Prof. Dr. Angelo di Bernardo

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Nanomaterials, namely materials with at least one dimension between 1 and 100 nanometres, are intensively investigated both for their unique physical and chemical properties, which differ from those of bulm materials, and also for a wide range of technological applications in which they have found usage including quantum electronics, healthcare, water purification and other consumer products.

In this seminar, we will discuss the most important advancements made in the synthesis and fabrication of nanomaterials, focusing in particular on those nanomaterials (e.g., 2D materials, core/shell nanoparticles, nanoporous materials, nanotubes) which have raised great interest both in the scientific community and industrial world over the past decade. After reviewing the special physical properties of these nanomaterials, in the seminar we will discuss the main technological fields where they have found applications and the related open challenges.

Prof. Dr. Sebastian Gönnenwein

ZEuS

Temperaturunterschiede lassen sich nutzen, um elektrische Ströme bzw. elektrische Energie zu erzeugen. Umgekehrt kann man in geeigneten Strukturen anhand von elektrischen Strömen aber auch kühlen oder heizen. Wir nutzen solche thermoelektrischen Effekte heute in vielen Anwendungen, z.B. in Kühlboxen, zur Energiegewinnung aus heißen Abgasen, oder in Temperaturfühlern.

Im Seminar wollen wir einerseits die Physik von grundlegenden thermoelektrischen Effekten (Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt, Nernst-Effekt, Righi-Leduc-Effekt, etc.) besprechen. Neben experimentellen Aspekten wie Materialwahl, Messgeometrie und Effektgröße sollen dabei natürlich auch Anwendungsmöglichkeiten zur Sprache kommen.

Andererseits wollen wir aktuelle Entwicklungen in der Grundlagenforschung aufgreifen und auch sogenannte spin-kalorische Effekte betrachten. Dazu müssen die Konzepte der Thermoelektrik um magnetische Freiheitsgrade (Spin) erweitert werden – und das eröffnet ganz neue Möglichkeiten. So lassen sich zum Beispiel anhand des Spin-Seebeck-Effekts und des Spin-Nernst-Effekts durch einen „einfachen“ Temperaturgradienten reine Spinströme in verschiedene Richtungen antreiben.

Stand: 20.05.2022

apl. Prof. Dr. Giso Hahn

ZEuS

Die eingeläutete und bereits gegenwärtig stattfindende Transformation einer auf Nutzung fossiler Energieträger basierenden Gesellschaft hin zu CO₂-emissionsarmen Technologien wird unsere Lebensgewohnheiten in einigen Bereichen signifikant verändern. Im Seminar werden an ausgesuchten wichtigen Beispielen die physikalischen Aspekte beim Übergang hin zur veränderten Nutzung von Energie mit geringerem CO₂-Fußabdruck thematisiert und diskutiert. Beispielhaft seien hier Wärmepumpen, Speichertechnologien wie Batterien oder Power-to-X sowie erneuerbare Energien zur Stromerzeugung genannt.
Das Seminar soll in Form eines Blockseminars gegen Ende der Vorlesungszeit stattfinden. Ein Vorbesprechungstermin mit Themenvergabe ist in der ersten Vorlesungswoche vorgesehen.
Grundkenntnisse der Festkörperphysik sind wünschenswert, aber nicht zwingend erforderlich.

Stand: 15.11.2022

PD Dr. Anton Plech

ZEuS

Das Verständnis von kondensierter Materie von der atomaren bis makroskopischen Skala erfordert unter anderem das Verständnis von Struktur, Dynamik und Energie von Anregungen. Neben herkömmlichen Laborexperimenten haben sich Großforschungseinrichtungen etabliert, die Instrumente und Sonden mit extremer Brillanz, Zeit- und Energieauflösung zu liefern und WissenschaftlerInnen frei zugänglich zu machen. Im Seminar werden die wichtigsten Sonden Strukturuntersuchungsmethoden beispielhaft mit ihren Perspektiven für höchste Auflösung an Synchrotrons, Freie-Elektronenlaser oder Spallationsquellen diskutiert.

Die Vorbesprechung findet am 14.04.2023 um 13:30 Uhr statt.
Das Blockseminar findet dann im Juli statt. Mögliche Exkursion zum KIT Karlsruhe.

Dr. Niklas Rohling

ZEuS

Ein einzelner Zustand eines Quantensystems lässt sich in der Regel nicht einfach per Messung bestimmen. Grund dafür ist neben der stochastischen Natur des Messergebnisses, die Tatsache, dass eine Messung den Quantenzustand verändert. Stehen hingegen viele Kopien eines reinen oder gemischten Quantenzustands zur Verfügung, kann dieser Zustand näherungsweise bestimmt werden. Die dazu verwendeten Messungen und die Rekonstruktion des Zustandes aus den Messergebnissen werden zusammen als Quantenzustandstomographie bezeichnet. Auch Operationen, insbesondere Quantengatter, die auf ein Quantensystem wirken, lassen sich mit tomographischen Methoden ermitteln (Prozesstomographie).
In diesem Seminar stehen die quanteninformationstheoretischen Aspekte sowie die wichtige Anwendung von Quantentomographie für die Verifikation quantentechnologischer Bauelemente (etwa die Bausteine eines Quantencomputers) im Mittelpunkt.
Dabei wird es um die optimale Auswahl der Messungen, den Nutzen von Maschinellem Lernen für Quantentomographie, sowie um das ungünstige Skalierungsverhalten von Zustands- und Prozesstomographie mit wachsender Systemgröße und alternative Ansätze, die ein günstigeres Skalierungsverhalten zeigen.

Mögliche Themen können sein:

• Zustandstomographie mit projektiven Messungen und komplementäre Messbasen (mutually unbiased bases)
• Zustandstomographie mit einem übervollständigen Satz von Messungen
• Zustandstomographie mit generalisierten Messungen
• Einsatz von Maschinellem Lernen zum Optimieren der Messungen
• Maschinelles Lernen bei der Zustandsrekonstruktion
• Adaptive Methoden der Zustandstomographie
• Zustandsverifikation
• Quantenschattentomographie (Quantum Shadow Tomography)
• Permutationsinvariante Quantentomographie
• Prozesstomographie
• Gatterstichproben (Randomized Benchmarking)
• Gate Set Tomography

Dr. Lin Wang, Dr. Stephen McMillan

ZEuS

Spin qubits, quantum bits based on spins, have attracted great attention due to potential applications in quantum computation. Various proposals on spin qubits have been raised in both semiconductors and also two-dimensional materials. This seminar aims to provide an overview of the current landscape and explore the advantages spin-based qubits have to offer in these platforms.