Kommentiertes Vorlesungsverzeichnis SS 2014 Physik Freiburg

Physikalisches Institut

Kommentare zu den Veranstaltungen im Sommersemester 2014

Experimentalphysik II - Einführung in die Physik II mit Experimenten für Studierende der Physik, Mathematik und Mikrosystemtechnik
(Elektrizität, Magnetismus, Optik)
Dozent: Prof. Dr. Hanspeter Helm
Zeit: 4 st., Mo, Mi 10-12
Ort: Gr. HS
Beginn: 28.04.2014

Vorläufiges Programm:

Die Vorlesung Experimentalphysik II vermittelt die experimentellen Grundlagen der Elektrizität, des Magnetismus und der Optik. Im Zentrum der Vorlesung stehen Demonstrationsexperimente.
Die Vorlesung wird durch Übungen begleitet.

Folgende Themen werden behandelt:

Elektrische Ladung
Elektrische Felder
Gaußscher Satz und elektrisches Potential
Kapaziät
Elektrischer Strom, Widerstand und Stromkreise
Magnetfelder
Strominduzierte Magnetfelder, Induktion und Induktivität
Maxwellgleichungen
Schwingkreise und Wechselstrom
Elektromagnetische Wellen
Geometrische Optik
Licht als Welle: Interferenz und Beugung
Reflexion und Brechung von Licht
Interferenz und Beugung von Licht

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I

Einführende Literatur:

- Tipler/Mosca, Physik (Elsevier)
- Demtröder, Experimentalphysik 2 (Springer)
- Bergmann/Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2, Elektromagnetismus (de Gruyter)
- Gerthsen, Physik (Springer)

Experimentalphysik IV (Atom-, Molekül- und Optische Physik)
Dozent: Prof. Dr. Oliver Waldmann
Zeit: 4 st., Mi 8-10, Do 12-14
Ort: HS I
Beginn: 30.04.2014

Vorläufiges Programm:

- Komplexe atomare Systeme und periodisches System
- Struktur und Eigenschaften von Molekülen
- Struktur und Eigenschaften von Festkörpern und Oberflächen

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I-III

Einführende Literatur:

Theoretische Physik II
(Mechanik und Spezielle Relativitätstheorie)
Dozent: Prof. Dr. Jochum van der Bij
Zeit: 4 st., Di, Do 10-12
Ort: HS I
Beginn: 29.04.2014

Vorläufiges Programm:

Mechanik des Punktteilchens
Systeme von Massenpunkten
Bewegung in Zentralkraftfeldern
Inertialsysteme und beschleunigte Bewegung
Lagrange-Mechanik
Das Hamiltonsche Prinzip
Kleine Schwingungen
Hamilton-Mechanik
Dynamik Starrer Körper
Spezielle Relativitätstheorie

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I

Einführende Literatur:

Theoretische Physik IV
(Quantenmechanik)
Dozent: Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Zeit: 4 st., Mo, Fr 10-12
Ort: HS I
Beginn: 02.05.2014

Inhalt:

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I, II und III

Einführende Literatur:

Experimentelle Methoden der Teilchenphysik
Dozent: Prof. Dr. Karl Jakobs
Zeit: 3 st., Mo 8-10 (14-tgl), Di 8-10
Ort: HS I
Beginn: 28.04.2014

Vorläufiges Programm:

Es wird eine Einführung in verschiedene experimentelle Methoden, am Beispiel der Teilchenphysik, gegeben. Im Rahmen der Vorlesung werden die Wechselwirkung von Teilchen und Strahlung mit Materie sowie wichtige Detektorsysteme diskutiert. Darüber hinaus werden Grundkenntnisse der Elektronik und der Statistischen Datenanalyse vermittelt.

Die Vorlesung stellt eine ausgezeichnete Vorbereitung auf das anstehende Fortgeschrittenenpraktikum dar.

Die Themengebiete im Einzelnen:

- Wechselwirkung von Strahlung und Teilchen mit Materie
- Wechselwirkung von Photonen mit Materie
- Ionisationsmessungen und Ionisationsdetektoren
- Szintillatoren
- Energiemessung
- Grundlagen der Elektronik
- Elemente der elektronischen Signalverarbeitung
- Statistische Methoden der Datenanalyse (wichtige Verteilungsfunktionen, Fehlerrechnung, Parameterschätzung, Hypothesentests)

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I bis III

Einführende Literatur:

William R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Verlag;
Claus Grupen, Teilchendetektoren, BI Wissenschaftsverlag;
Konrad Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung, 4. Auflage, Teubner Verlag;
Hermann Hinsch, Elektronik –Ein Werkzeug für Naturwissenschaftler-, Springer Verlag;
Glen Cowan, Statistical Data Analysis, Oxford Univ. Press;
Siegmund Brandt, Data Analysis –Statistical and Computational Methods for Scientists and Engineers-, Springer Verlag;

Einführung in die Astrophysik
Dozent: Prof. Dr. Oskar von der Lühe
Zeit: 3 st., Mi 10-13
Ort: HS I
Übungen: 2 st. Mo 12-14 HS I
Beginn: 30.04.2014

Vorläufiges 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

Der Skript (Präsentationen) werden über CampusOnline zur Verfügung gestellt. Anmeldung und Zugang in der 1. Vorlesungsstunde. Die Studienleistung umfasst die aktive Teilnahme an den Übungen. Die Prüfungsleistung umfasst zusätzlich die erfolgreiche Teilnahme an der Abschlussklausur (1. August).

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik I-III, Theoretische Physik I-III

Literaturempfehlungen

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

Einführung in die Moderne Digitalelektronik
Dozent: apl. Prof. Dr. Horst Fischer
Zeit: 2 st., Fr 14-16
Ort: SR I
Übungen: Mi 16-19, SR I
Beginn: 02.05.2014
Vorläufiges Programm:

Ziel: 

Die Teilnehmenden erhalten einen Überblick über die wesentlichen Anwendungsgebiete und Methoden in der heutigen Digitalelektronik. Sie lernen an Hand von Beispielen die Konzepte und Funktionsweise digitaler Schaltkreise kennen und werden in die Programmierung von logischen Bausteinen eingeführt. In der praktischen Übung werden Logikbausteine (FPGA) selbst programmiert.

Inhalt:

Folgende Themen werden behandelt:

Anwendungsfelder der Digitalelektronik
Grundlagen und logische Verknüpfungen
Schaltkreisfamilien
Rechenschaltungen
programmierbare Bausteine (FPGA und CPLD)
Zahlen und Speicher
Automaten
Systeme zur Datenaufzeichnung

Vorkenntnisse:

Einführende Literatur:

Urbansk, Digitaltechnik (Springer)
Tietze Schenk, Halbleitertechnik (Springer)

Optische Fallen und Partikel-Tracking
Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Di 10-13
Ort: SR I
Übungen: Di 14-16
Beginn: 29.04.2014

Vorläufiges Programm:

Optische Fallen und optische Partikel-Tracking spielen eine Schlüsselrolle bei zukünftigen Mikro- und Nanosystemen an der Schnittstelle zu den Life Sciences. In der Vorlesung sollen Sie lernen, was mit optischen Kräften machbar ist, wo physikalische Grenzen liegen und was im Moment noch durch Technologie beschränkt wird. Neben faszinierender Grundlagenforschung lassen sich verschiedenste Anwendungen ableiten, in Kombination mit bestehenden Mikrosystemen, in der Biologie, oder in fluktuationsgesteuerten Systemen. Die Vorlesung ist vielfältig und vermittelt Grundlagen in der Optik, der statistischen Physik und der Biologie/Biophysik.

In den Übungen sollen die Inhalte der Vorlesung sowohl vertieft als auch gefestigt werden. Insbesondere soll das Transferdenken geschult werden. Hierzu werden die wöchentlich ausgeteilten Aufgaben innerhalb einer Woche bearbeitet und dann i.d.R. von den Studenten oder bei schwereren Aufgaben vom Tutor an der Tafel vorgerechnet.

Inhalt:

1. Einführung
2. Licht – Informationsträger und Aktor
3. Nur über die Mikroskopie
4. Lichtstreuung
5. Optische Kräfte
6. Bewegungsverfolgung jenseits des Unschärfebereichs
7. Brownsche Bewegung und Kalibrierungstechniken
8. Photonische Kraftmikroskopie
9. Anwendungen in der Biophysik
10. Time-Multiplexing und holographisch optische Fallen
11. Anwendungen in der Mikrosystemtechnik
12. Anwendungen in der Nanotechnologie

Astronomisches Praktikum
Dozent: Prof. Dr. Wolfgang Schmidt
Zeit: 4 st., Fr 8-12
Ort: Kiepenheuer-Institut (KIS), Schöneckstrasse 6 und Schauinsland Observatorium
Beginn: 09.05.2014
Vorbesprechung am Fr. 09.05.2014 um 9:00 Uhr SR KIS
Vorlesungs link

Vorläufiges Programm:

Das Astronomische Praktikum findet jeweils im Sommersemester statt.
Dabei werden sowohl Versuche im Sonnenobservatorium auf dem Schauinsland als auch im KIS durchgeführt.
Alle Anleitungen sind als PDF-Dateien auf der Vorlesungsseite abrufbar.
Die Vorbesprechung findet am ersten Freitag nach Vorlesungsbeginn statt.

Vorkenntnisse:

Vorlesung "Einführung in die Astrophysik"

Literatur:

Halbleiterbauelemente (BSc, MSc)
Dozent: PD Dr. Harald Schneider, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Zeit: 2 st., Blockvorlesung 10.-13.06.2014, 10-12 und 14-17 sowie 1-2 Veranstaltungen nach Vereinbarung
Ort: HS II
Beginn: 10.06.2014

Vorläufiges Programm:

1. Transportphänomene

2. Metall-Halbleiter-Kontakt, Schottky-Diode

3. p-n Diode
Photodiode, LED, Laserdiode, Solarzelle

4. bipolare Transistoren, HBT

5. Feldeffekt-Transistoren
JFET, MESFET, HEMT, MOSFET, FGFET

6. Quantenstruktur-Bauelemente
RTD, QWIP, QCL, ICL

Vorkenntnisse:

Experimentalphysik IV (Kondensierte Materie)
Vorlesung Grundlagen der Halbleiterphysik, Prof. J. Wagner, WS2013/14

Einführende Literatur:

S.M. Sze and K.K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, 2006
S.M. Sze, Semiconductor Devices, Wiley, 2001

Spezielle Relativitätstheorie
Dozent: Dr. Christian Schwinn, Prof. Dr. Stefan Dittmaier
Zeit: 3 st., Mo 14-16, Di 10-12
Ort: Mo HS II, Di SR Westbau UG
Beginn: 28.04.2014
Vorlesungs link

Vorläufiges Programm:

Die Vorlesung eignet sich als Spezialvorlesung im Wahlbereich für Bachelorstudenten.

Inhalt:

Das Relativitätsprinzip (Gallilei Invarianz, Lorentz Invarianz)
Struktur der Lorentztransformationen (Lorentzgruppe, Poincaregruppe)
Relativistische Mechanik (Vierervektoren und Tensoren, Viererimpuls, Relativistische Stoßprozesse, Wirkungsprinzip, Minkowski-Kraft)
Relativistische Feldtheorie und Elektrodynamik (Kovariante Formulierung der Lorentz-Kraft, Maxwellgleichungen, Klassische Feldtheorie, Wirkungsprinzip der Elektrodynamik)
Beschleunigte Bezugssysteme und Ausblick auf die allgemeine Relativitätstheorie (Beschleunigte Bezugssysteme in der Speziellen Relativitätstheorie, Äquivalenzprinzip, Bewegung in gekrümmter Raumzeit)

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I-III

Literatur:

Einführende Literatur:
- F. Scheck, "Theoretische Physik 1: Mechanik", Springer Verlag
- H. Goldstein, "Klassische Mechanik", AULA-Verlag (bzw. neuere Auflage von Goldstein/Poole/Safko in Wiley-VCH)
- J. D. Jackson, "Klassische Elektrodynamik" , De Gruyter
- L.D. Landau und E.M. Lifschitz, "Lehrbuch der Theoretischen Physik II: Klassische Feldtheorie", Akademie-Verlag

Weiterführende Literatur:
- Sexl, Urbantke: "Relativität, Gruppen, Teilchen", Springer Verlag
- Rindler: "Relativity", Oxford University Press
- Schutz: "A first course in General Relativity", Cambridge University Press

Dynamische Systeme in der Biologie
Dozent: Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit: 3 st., Mi 14-15, Do 10-12
Ort: SR I
Computerübungen: Mi 15-17, CIP Pool II
Beginn: 30.04.2014
Vorlesungs link

Vorläufiges Programm:

Die physikalisch motivierte mathematische Modellierung biologischer Systeme stellt einen wichtigen Zugang dar, die in der Regel recht qualitative Biologie zu quantifizieren und so einem dynamischem Verständnis zuzuführen. Während die Mathematische Biologie die Eigenschaften relativ einfacher Systeme untersucht, steht im Rahmen der Systembiologie in der jüngsten Zeit das Verhalten komplexer Netzwerke im Zentrum des Interesses. In der Vorlesung werden die biologischen Grundlagen exemplarischer Modelle erörtert und ihre mathematischen und physikalischen Eigenschaften diskutiert.

- Mathematische Biologie
        Populationsdynamik
        Neuronenmodelle
        Strukturbildung
        Enzymdynamik
- Systembiologie
        Metabolische Netzwerke
        Signaltransduktionskaskaden
        Genregulation
        Slides der letzten Woche: Chemotaxis, JAK-STAT Signalling, Epo Rezeptor, und Identifizierbarkeit

Vorkenntnisse:

Klassische Mechanik, Differntialgleichungen

Einführende Literatur:

- J.D. Murray: Mathematical Biology
- J. Keener, J. Sneyd: Mathematical Physiology
- L. Alberhina, H.V. Westerhoff: Systems Biology
- E. Klipp et al.: Systems Biology in Practice

Photovoltaische Energiekonversion
Dozenten: Prof. Dr. Eicke R. Weber, Dr. Uli Würfel
Zeit: 2 st., Di 8:00-10:00
Ort: FMF SR C, Stefan-Meier-Str. 21
Beginn: 29.04.2014
Übungen: FMF SR, Zeit nach Vereinbarung (1 st.)

Vorläufiges Programm:

Die Solarzelle als beleuchtete Halbleiterdiode
Thermodynamik der idealen Solarzelle, maximale Wirkungsgrade
Lichtabsorption in Halbleitern, elektronische Rekombinationen
Der p-n-Übergang, Ladungsträgertransportvorgänge in Halbleitern
Siliziumsolarzellen auf Waferbasis
Material- und Scheibengewinnung für kristalline Si-Solarzellen
Dünne kristalline Si-Solarzellen
Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium, CIS und CdTe
Tandemsolarzellen, monolithische Strukturen aus III/V Materialien
Farbstoffsensibilisierte und organische Solarzellen
Thermophotovoltaik - Photovoltaische Konversion von IR-Strahlung

Vorkenntnisse:

Einführende Literatur:

P. Würfel, Physik der Solarzelle, Spektrum - Akademischer Verlag 1995
A. Goetzberger, B. Voß und J. Knobloch, Sonnenenergie: Photovoltaik, Teubner 1997
M.A. Green, Solar Cells, University of New South Wales 1982

Fortgeschrittene Experimentalphysik für Lehramtsstudierende
Dozent: Prof. Dr. Tobias Schätz, Prof. Dr. Kay Königsmann
Zeit: 4 st., Mi 10-12, Do 12-14
Ort: HS II
Beginn: 30.04.2014

Teil I (Atom-, Molekül- und Festkörperphysik):

Struktur und Eigenschaften von Atomen und Molekülen
Struktur und Eigenschaften von Festkörpern

Literatur:

Literatur zu Atom- und Molekülphysik
inführung in die Festkörperphysik, Ch. Kittel, Oldebourg

Teil II (Kern- und Elementarteilchenphysik):

Einleitung, Historischer Überblick
Aufbau und Eigenschafte der Kerne
Kernkraft, Kernzerfälle
Elektromagnetische Wechselwirkung
Starke Wechselwirkung
Schwache Wechselwirkung
Mesonen, Quarkonia, Baryonen
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Offene Fragen der teilchenphysik
Astroteilchenphysik und das Universum
Wechselwirkung von Strahlung mit Materie
Beschleuniger und Detektoren
Anwendungen der Kern- und Teilchenphysik

Literatur:

J. Bleck-Neuhaus, Elementare Teilchen: Moderne Physik von den Atomen bis zum Standard-Model, Springer Verlag
B. Martin, Nuclear and Particle Physics: An Introduction, Wiley Verlag

Fortgeschrittene Theoretische Physik für Lehramtsstudierende
Dozent: apl. Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit: 4 st., Mo, Di 10-12
Ort: HS II
Beginn: 28.04.2014
Vorlesungs link

Vorläufiges Programm:

Diese Vorlesung speziell für Lehramtsstudierende findet zum zweiten Mal statt und ist für Studierende nach der neuen Prüfungsordnung (GymPO) eine Pflichtvorlesung. Empfohlen wird die Teilnahme im 4. Fachsemester. Studierende nach der alten Prüfungsordnung (WPO) können wahlweise die Theo IV oder diese Vorlesung hören. Der Schwerpunkt dieser Vorlesung ist die Quantenmechanik, allerdings bezieht sich ein Teil des Inhalts auch auf die Statistische Mechanik.
Nach dem aktuellen Modulhandbuch erhalten Sie nach erfolgreicher Teilnahme an dieser Vorlesung und den begleitenden Übungen einen Leistungsnachweis. Die Kriterien werden in der Vorlesung bzw. den Übungen bekannt gegeben, bestimmen sich aber voraussichtlich aus erfolgreich gelösten Hausaufgaben und der Teilnahme in den Übungen, d.h., es wird keine Klausur geschrieben. Für Studierende nach der alten Prüfungsordnung kann auch ein benoteter Schein ausgestellt werden.

Vorkenntnisse:

Theoretische Physik I-III

Einführung in die Physikdidaktik
Dozent: Prof. Dr. Silke Mikelskis-Seifert
(Veranstaltung der Pädagogischen Hochschule)
Zeit: 4 st., Mi 16-18
Ort: Pädagogische Hochschule KG 3-111
Beginn:
Vorlesungs link

Vorläufiges Programm:

Thema

Physikunterricht legitimieren / Ziele

Ziele / Lehrplan / Bildungsstandards

Kontextorientierung und Lebensweltbezug

Moderne Themen / didaktische Rekonstruktion

Schülervorstellungen

Im Physikunterricht experimentieren

Modellmethode

Computereinsatz im Physikunterricht

Offener schülerorientierter problemorientierter Unterricht (Teil 1)

Offener schülerorientierter problemorientierter Unterricht (Teil 2)

Aufgabenkultur

Physikunterricht evaluieren

Interesse

K L A U S U R

Einführende Literatur:

Helmut F. Mikelskis (Hrsg.), Physik-Didaktik: Praxishandbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen Verlag Scriptor, 2006, 290 S., 19,95 €
Silke Mikelskis-Seifert/Thorid Rabe (Hrsg.), Physik-Methodik: Handbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen Verlag Scriptor, 2007, 242 S., 19,95 €

Theoretical Solid State Physics
Dozent: Prof. Dr. Alexander Blumen
Zeit: 4 st., Mo, Di 10-12
Ort: SR GMH
Beginn: 28.04.2014

Preliminary program:

Starting point are the elementary excitations in solids, such as the electrons and the phonons, whose properties will be investigated. This allows us to apply several methods of advanced quantum mechanics, such as the second quantization, and to make use of particular symmetries and invariants. We will focus on periodic potentials, on the Bloch theorem, and on the Born-Oppenheimer approximation. The electron-phonon coupling, which we introduce next, paves the way to study quasiparticles, such as polarons, excitons and polaritons, and to understand the basic features of superconductivity. Furthermore, particular attention will be given to the theory of dielectric and magnetic materials, also mentioning properties related to their phase transitions and to disorder.

Previous knowldege:

The theoretical courses at the bachelor level and especially "Theoretical quantum mechanics".
The advanced mathematical tools required here will be introduced in the framework of the course.

Recommended monographs:

- M.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid State Physics
- J.M. Ziman, Principles of the Theory of Solids

Quantum Theory of Open Systems
Dozent: apl. Prof. Dr. Heinz-Peter Breuer
Zeit: 4 st. Mi, Do 10-12
Ort: SR GMH
Beginn: 30.04.2014
Tutorials: Do 14-16, SR I

Preliminary program:

Quantum states
Pure and mixed states, density matrices, quantum entropies
Composite quantum systems
Tensor product, entangled states, partial trace and reduced density matrix
Open quantum systems
Closed and open systems, dynamical maps, quantum operations, complete positivity and Kraus representation
Dynamical semigroups and quantum master equations
Semigroups and generators, quantum Markovian master equations, Lindblad theorem
General properties of the master equation
Dynamics of populations and coherences, Pauli master equation, relaxation to equilibrium
Decoherence
Destruction of quantum coherence through interaction with an environment, decoherence versus relaxation
Microscopic theory
System-reservoir models, Born-Markov approximation, microscopic derivation of the master equation
Applications
Quantum theory of the laser, superradiance, quantum transport, quantum Boltzmann equation

Previous knowldege: Advanced Quantum Mechanics

Literature:

-   H.-P. Breuer and F. Petruccione, The Theory of Open Quantum Systems (Oxford University Press, Oxford, 2007)
-   M. Hayashi, Quantum Information (Springer, Berlin, 2006)
-   M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, 2000)
-   C. W. Gardiner, Quantum Noise (Springer, Berlin, 1991)
-   R. Alicki and K. Lendi, Quantum Dynamical Semigroups and Applications (Springer, Berlin, 1987)

Introduction to Relativistic Quantum Field Theory
Dozent: Prof. Dr. Stefan Dittmaier, Dr. Heidi Rzehak
Zeit: 4 st., Mo 12-14, Di 14-16
Ort: HS II
Beginn: 28.04.2014
Tutorials: Mi 14-16, SR GMH

Preliminary Program:

Quantization of scalar fields (Klein Gordon equation, classical field theory, canonical quantization, scattering theory and Feynman diagrams)
Vector-boson fields (classical field equations, electromagnetic interactions and the gauge principle, quantization of the electromagnetic field, scalar QED and perturbative evaluation)
Dirac fermions (basics of Lie Groups, Lorentz group and its representations, Dirac and Weyl equations, Poincare group and its representations, quantization of free Dirac fields, QED and perturbative evaluation, applications)
Quantization with functional integrals

Prerequisits:

Quantum Mechanics, Electrodynamics and Special Relativity

Literature:

- Bjorken/Drell: "Relativistic Quantum Mechanics"
- Bjorken/Drell: "Relativistic Quantum Fields"
- Itzykson/Zuber: "Quantum Field Theory"
- Maggiore: "A Modern Introduction to Quantum Field Theory"
- Peskin/Schroeder: "An Introduction to Quantum Field Theory"
- Ramond: "Field Theory: a Modern Primer"
- Tung: "Group Theory in Physics"
- Weinberg: "The Quantum Theory of Fields, Vol.1: Foundations"

Advanced Optics and Lasers
Dozent: Prof. Dr. Frank Stienkemeier
Zeit: 3 st., Di 8:30-10, Do 8:30-9:15
Ort: HS II
Übungen: Mi 14-16, HS II
Beginn: 06.05.2014

Preliminary Program:

The lecture starts with a revision of the basic concepts of light-matter interaction. Then the laser principle is introduced. Based on the condition for population inversion, the stationary mode of operation as well as the dynamics of switching processes is discussed using rate equations. Different components of a laser such as resonators and devices for frequency selection or short pulse generation are presented. Then, different most commonly used types of lasers are presented and their properties are discussed. Finally, current methods for the generation of extremely short and intense pulses will be addressed as well as nonlinear optical techniques such as frequency mixing and harmonic generation. The tutorials include problem sheets as well as practical laboratory courses to work on different laser systems.

Prerequisits:

Experimental Physics I-III

Literature:

W. Lange “Laserphysik”
Demtröder “Laserspektroskopie”
J. Eichler & H.J. Eichler, Springer, „Laser“
F.K. Kneubühl /M.W. Sigrist “Laser”
D. Meschede “Optik, Licht und Laser”
C. Ruilliere, Springer, „Femtosecond laser pulses“

Hadron Collider Physics
Dozent: Prof. Dr. Markus Schumacher, Dr. Stan Lai
Zeit: 3 st., Mo 14-16 (14 tgl.), Fr 12-14
Ort: Mo SR WB 2.OG, Fr SR GMH
Beginn: 28.04.2014

Preliminary Program:

In this lecture Physics at Hadron Colliders is discussed. The focus lies on the discussion of recent physics measurements performed at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. They include experimental tests of the Standard Model, Higgs boson physics and searches for extensions of the Standard Model.

The programme consists of:
- Lectures (3h per week: split in 2h every Monday, and 2h every second Tuesday)
- Exercises / tutorials (3 h per week), including computer simulations and analysis of ATLAS physics events

This corresponds in total to 10 ECTS points

Topics:

Accelerators
LHC detectors
Phenomenology of pp collisions
Structure functions, cross sections
Particle signatures in LHC experiments
Inelastic pp collisions
Production of jets, test of perturbative QCD
Physics of W and Z bosons
The top quark and its properties
Search for the Higgs boson, measurements of the properties of the new particle at 126 GeV
Search for supersymmetric particles
Search for other extensions of the Standard Model

Previous knowledge:

Experimental Physics V (Nuclear and Particle Physics)
Particle Physics II (desirable)

Einführende Literatur:

- F. Halzen, A.D. Martin, Quarks and Leptons, Wiley-Verlag;
- D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley-Verlag;
- G. Kane, A. Price (Ed.), Perspectives on LHC Physics, World Scientific;
- R.K. Ellis, W.J. Stirling und B.R. Webber, QCD and Collider Physics, Cambridge Univ. press;
- D. Green, High PT Physics at Hadron Colliders, Cambridge Univ. press;
- J.M. Campbell, J.W. Huston und W.J. Stirling, Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, Rep. Prog. Phys. 70 (2007) 89-193.

Advanced Experimental Condensed Matter I
Dozent: apl. Prof. Dr. Bernd von Issendorff
Zeit: 4 st., Di, Mi 12-14
Ort: HS II
Übungen: Di 16-18, HS II
Beginn: 29.04.2014

Preliminary Program:

The lecture will give an overview of the questions addressed by modern solid state physics and discuss in detail state-of-the art experimental techniques.

Examples of subjects treated are:

atomic order: from single crystals to quasi-crystals
lattice vibrations: from heat capacities to ballistic phonons
electronic structures: from simple metals to heavy fermion systems
electron dynamics: single and collective excitations, ultrafast screening
surface related phenomena: influence of the boundary
quantum effects in low dimension systems: 2D, 1D, 0D systems
macroscopic quantum effects: magnetism, superconductivity
Examples of experimental techniques discussed:
diffraction methods (photons, neutrons, electrons, atoms)
energy resolved scattering
microscopy (electron microscopy, scanning probe methods)
time-resolved methods (clocking techniques, attosecond laser experiments)
low temperature conductivity measurements
optical spectroscopy

Prerequisits:

Knowledge of the principles of solid state physics will be helpful.

Literature:

- Ashcroft-Mermin, Saunders College, Solid State Physics
- Kittel, Oldenbourg, Festkörperphysik
- Ibach-Lüth, Springer, Festkörperphysik

Theoretical Models for Magnetic Solids
Dozent: apl. Prof. Dr. Christian Elsässer
Zeit: 2 st., Fr 8-10
Ort: SR I
Übungen: 2st 14-tgl, Ort und Zeit nach Vereinbarung (1 SWS)
Beginn: 02.05.2014

Preliminary Program:

This course deals with theoretical models and computational methods for understanding and simulating magnetic properties of materials:

Solid-state magnetism, magnetic orders in crystals, and intrinsic properties of magnets,
Itinerant electrons and magnetic phases of transition metals – electron-gas models based on the density functional theory,
Localized moments and magnetic properties of rare-earth and transition-metal compounds – magnetism and thermodynamics of spin models (Heisenberg, Ising, XY),
Microstructures and macroscopic properties of magnets,

Info: For B.Sc. (Wahlmodul) and M.Sc. (Elective Subjects)

Literature:

- J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials, Cambridge (2009)
- P. Mohn, Magnetism in the Solid State – An Introduction, Springer (2006)
- J. Kübler, Theory of Itinerant Electron Magnetism, Oxford (2009)
- H. Kronmüller and M. Fähnle, Micromagnetism and the Microstructure of Ferromagnetic Solids, Cambridge (2003)

Mathematical Structure of Quantum Mechanics
Dozent: JProf. Dr. David Gross
Zeit: 3 st., Mo 14-16, Do 12-14 (14-tgl.)
Ort: SR I
Beginn: 28.04.2014
Vorlesungs link

Course description:

The success of quantum mechanics rests on the fact that it provides a calculus for accurately predicting microscopic phenomena, e.g. the wavelengths of atomic spectral lines. Introductory lectures and textbooks typically focus on this calculus. Arguably, as a consequence, the structure of the theory often remains fairly obscure. In this lecture, we take a complementary approach: We introduce a general framework for treating probabilistic theories which allows us to precisely identify differences and similarities of quantum and classical descriptions. After laying the mathematical ground, we rigorously treat quantum mechanical phenomena like contextuality, non-locality, uncertainty relations, as well as dynamics and geometry of quantum systems.

List of topics:

Probabilistic theories from an operational point of view
- preparations, transformations, measurements
- convex geometry of state spaces, convex duality
Classical and quantum state spaces
Marginals, contextuality, non-locality
Classes of quantum states
- Entanglement
Uncertainty relations, information-disturbance-tradeoff, joint measureability
Dilation theorems, dynamics
Geometry of quantum state spaces
- Measure concentration
- de Finetti-theorems
Brief introduction to C^*-algebras
- Description of infinitely extended spin chains

Previous knowledge:

A solid understanding of linear algebra is required. A standard quantum mechanics course would be helpful, but is not strictly necessary.

Literature:

- A. Peres, Quantum Mechanics: Concepts and Methods
- A. Holevo, Statistical Aspects of Quantum Mechancis

General Relativity II
Dozent: JProf. Dr. Harald Ita
Zeit: 2 st., Di 8-10
Ort: SR II
Übungen: Di 10-12, SR II
Beginn: 29.04.2013
Vorlesungs link

Preliminary program:

- Advanced Geometrical Methods (Topology, Bundles)
- Quantization of the Bosonic and Supersym. String
- Methods in 2d CFT
- Extended Objects (D-Branes)

Prerequisites: Electrodynamics and Special Relativity

Requirements for Academic Record:

- active and regular participation in the tutorials, including solutions to 70% of the homework problems.
- in case an exam ( "Prüfungsleistung") is required, a written/oral exam will be offered. Prerequisite is the successful participation in the tutorials.
- Further details will be given in the lecture/tutorials

Literature:

- Polchinski: "String Theory I" and "String Theory II"
- Kiritsis: "Introduction to Superstring Theory"
- Nakahara: "Geometry, Topology and Physics"

Computational Materials Science
Dozent: Prof. Dr. Michael Moseler, PD Dr. Michael Walter
Zeit: 4 st., Mi, Fr 14-16
Ort: SR WB 2.OG
Beginn: 30.04.2014

Preliminary program:

An introduction into the basic concepts of computational materials science with a special emphasis on nanoscopic materials and processes will be given. The computational tools for different time and length scales will be introduced and it will be discussed how these tools can be combined in order to attack physical problems extending over too many scales for one single method alone. We will start from the efficient treatment of correlated many electron systems within density functional theory. Forces on the nuclei can be extracted from these methods and the short term dynamics of small amounts of materials can be studied. The introduction of classical interatomic potentials allows the atomistic description of materials on submicron and submicrosecond scales. After that coarse grained molecular dynamics methods will be discussed to treat even larger systems and longer time scales. Finally, continuum equations will be derived from the atomistic models.

Previous knowledge:

Literature:

Physical Processed of Self-Assembly and Pattern Formation
Dozent: Prof. Dr. Günter Reiter
Zeit: 3 st., Mo 14-15, Mi 10-12
Ort: Hochhaus SR 3.OG
Übungen: Do 14-16, Hochhaus SR 3.OG
Beginn: 28.04.2014

Goal:

Questions about how organization and order in various systems arises have been raised since ancient times. Self‐assembling processes are common throughout nature and technology. The ability of molecules and objects to self‐assemble into supra‐molecular arrangements is an important issue in nanotechnology. The limited number of forms and shapes we identify in the objects around us represent only a small sub-set of those theoretically possible. So why don't we see more variety? To be able answering such a question we have to learn more about the physical processes responsible for self-organization and self-assembly.

Preliminary program:

“Physical laws for making compromises”
Self-assembly is governed by (intermolecular) interactions between pre‐existing parts or disordered components of a system. The final (desired) structure is 'encoded' in the shape and properties of the basic building blocks.
In this course, we will discuss general rules about growth and evolution of structures and patterns as well as methods that predict changes in organization due to changes made to the underlying components and/or the environment.

Students will learn how structural organization, i.e., the increase in internal order of a system, can lead to regular patterns on scales ranging from molecular to the macroscopic sizes. They will understand the physics of how molecules or objects put themselves together without guidance or management from an outside source.

Previous knowledge: Experimentalphysik IV (Condensed Matter)

Literature:

- Yoon S. LEE, Self-Assembly and Nanotechnology:A Force Balance Approach, Wiley 2008
- Robert KELSALL, Ian W. HAMLEY, Mark GEOGHEGAN, Nanoscale Science and Technology, Wiley, 2005
- Richard A.L. JONES, Soft Machines: Nanotechnology and Life, Oxford University Press, USA 2008
- Philip BALL, Shapes, Flow, Branches. Nature's Patterns:A Tapestry in Three Parts, Oxford University Press, USA
- J.N. ISRAELACHVILI, Intermolecular and Surface Forces, Third Edition, Elsevier, 2011

Continuative and supplementary references will be given during the lecture.

Wave and Fourier Optics
Dozent: Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Mi 10-13
Ort: IMTEK SR 102, 1.OG
Übungen: Mi 14-17
Beginn: 30.04.2014

Preliminary Program:

We do not really know what light is, although the concepts to describe light as waves or as particles usually work quite efficient. However, the description of the colorful intensity distributions we see every day, i.e. the interactions of light with matter, is anything but trivial. Controlling light on the macroscale and the nanoscale is the key for generating impact in research, development and industry. However, this requires a thorough understanding of wave optics and its powerful theoretical instrument, the description by Fourier transforms. This english lecture is accompanied by many live experiments. Students have to calculate exercises, which are discussed one week later in weekly tutorials.The new lecture is a fusion of the two former lectures "Moderne Optik I & II" and is now organized in 6 chapters.

Introduction
Some motivation, literature and a bit of history
From Electromagnetic Theory to Optics
What is light? Which illustrative pictures do the Maxwell equations provide? If matter, dielectric and metallic, consists of coupled, damped springs, how does matter depend on the frequency of light? What does the wave equation and the Helmholtz equation express? How can one handle waves in position space and frequency space?
Fourier-Optics
How does a wave transform position information into directional information? What is the link to Fourier transformations in 1D, 2D and 3D? What does this have to do with linear optical system theory including spatial frequency filters and the sampling theorem?
Wave-optical Light Propagation and Diffraction
Different methods are introduced on how to describe the propagation of waves in position space and frequency space. We do the direct transfer from propagation to diffraction of light and momentum space. We treat evanescent waves, thin diffracting objects, the propagation of light in inhomogeneous media and the momerntum conservation at gratings. This allows to discuss important active elements such as acousto-optic and spatial light modulators. We end with adaptive optics and phase conjugation.
Interference, Coherence and Holography
We learn how a composition of k-vectors defines the phases of interfering waves and the resulting stripe patterns. The relative phases of each partial wave in space and time change the interference significantly and define the coherence of light; these concepts will be discussed in detail. We learn how to write and read phase information in holography.
Light Scattering and Plasmonics
The interaction of light with matter is based on particle scattering: we discuss the theoretical concepts of light scattering on the background of Fourier theory. We expand these approaches to photon diffusion, nonlinear optics, fluorescence and Raman scattering or scattering at semiconductor quantum dots, which are all hot topics in modern photonics. A big emphasis is put on the description of surface plasmons and particle plasmons, where light can be extremely confined.

Literature:

Theoretical Astrophysics II
Dozent: PD Dr. Markus Roth
Zeit: 3 st., Mi 10-13
Ort: SR I
Beginn: 30.04.2014

Preliminary program:

4. Plasma physics and magneto-hydrodynamics

4.1 Plamsa properties
4.2 Magneto-hydrodynamic equation
4.3 Induction equation
4.4 Generation of magnetic fields
4.5 MHD-Waves (Alfvén-waves, slow and fast MHD waves)

5. Stellar Pulsations

5.1 Stellar Structure and Evolution
5.2. Observations of stellar pulsations
5.3 Linear adibatic oscillations
5.4 Helioseismology
5.5 Asteroseismology

Previous knowledge:

- Introductory knowledge on astronomy and astrophysics
- "Theoretical Astrophysics I" is helpful but not required.

Literature:

- Aerts C. et al., "Asteroseismology", Springer Verlag
- Prialnik D., "Stellar Structure and Evolution", Cambridge University Press
- Spruit, H., "Essential magnetohydrodynamics for astrophysics", Lecture Notes

Seitenanfang
Albert-Ludwigs-Universität-Freiburg
Physikalisches Institut