Physik der kondensierten Materie 2
Condensed Matter Physics 2

Metalle

• Fermiflächen realer Metalle
• Magnetowiderstand
• Quantenoszillationen

Halbleiter

• Klassifizierung und grundlegende Eigenschaften
• inhomogene Halbleiter und Halbleiter-Bauelemente
• niedrigdimensionale Elektronengase
• Quanten-Hall-Effekt(e)

Dielektrische Festkörper

• makroskopische Elektrodynamik & mikroskopische Theorie
• elektronische, ionische und Orientierungspolarisation
• dielektrische Eigenschaften von Metallen und Halbleitern
• Elektron-Elektron-Wechselwirkung und Abschirmung in Metallen
• Phasenübergänge und Ferroelektrizität

Magnetismus

• atomarer Dia- und Paramagnetismus
• Para- und Diamagnetismus von Metallen
• Austauschwechselwirkung und magnetische Ordnung
• Magnetisierungsdynamik und Spinwellen

Supraleitung

• grundlegende Eigenschaften von Supraleitern
• Phänomenologische Beschreibung: London- und Ginzburg-Landau-Theorie
• thermodynamische Eigenschaften
• Grundzüge der mikroskopischen Theorie

Oberflächen und Grenzflächen

• elektronische Eigenschaften
• Methoden der Untersuchung von Oberflächen
• funtionelle Eigenschaften an Bespielen

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

• grundlegende Konzepte aus der Physik der kondensierten Materie selbst anzuwenden, um physikalische Eigenschaften, die an kondensierter Materie beobachtet werden, mit der kristallinen Struktur und elektronischen Bandstrukturen in Verbindung zu bringen und zu erklären.
• die grundlegenden Eigenschaften von verschiedenen Materialklassen wie Metallen, Halbleitern, Isolatoren und Supraleitern zu verstehen, insbesondere deren elektrische, magnetische und optische Eigenschaften.
• wichtige Erkenntnisgewinne im Verständnis der Physik der kondensierten Materie mit Beiträgen relevanter Wissenschaftler und Persönlichkeiten in Verbindung zu setzen.
• die experimentelle Methoden der Physik der kondensierten Materie zur Bestimmung der elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften verschiedener Materialklassen (Metalle, Halbleiter, Isolatoren und Supraleiter) zu beschreiben.
• die physikalische Eigenschaften von Festkörpern auf der Basis klassischer und quantenmechanischer Modelle sowie unter Zuhilfenahme der Elektrodynamik und Thermodynamik quantitativ zu erklären;
• die gewonnenen Erkenntnisse auf Erfahrungen aus dem Umgang mit kondensierter Materie im Alltag, Praktikumsversuchen und Experimenten zu übertragen.
• die Funktionsweise einiger wichtiger Bauelemente und Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik, Sensorik zu erklären.

In der Vorlesung wird Bezug genommen auf Kenntnisse aus der Experimentalphysik, dem Elektromagnetismus, der Elektrodynamik, der Thermodynamik, der Quantenmechanik und der Physik der kondensierten Materie 1.

Bei diesem Modul handelt es sich um eines der Spezialisierungsmodule des sechsten Fachsemesters. Die zugehörigen Lehrveranstaltungen werden in der Regel "kompakt" angeboten. Das heißt, dass die für die Lehrveranstaltungen angesetzten Semesterwochenstunden (4V 2Ü) in den Wochen der ersten Semesterhälfte in komprimierter Form (8V 4Ü) dargeboten werden. Die restliche Vorlesungszeit verbleibt somit für die arbeitsintensive Endphase der Bachelor-Arbeit.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert. Stetige Querverweise auf die bereits früher vermittelten Grundlagen lassen die universellen Konzepte der Physik mehr und mehr erkennbar werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die Zentralübung ist ein freiwilliges Zusatzangebot. Anders als bei der interaktiv ausgerichteten Tutorübung ist das Format des Frontalvortrages gewählt. Der Stoff wird hier vom Dozenten kurz wiederholt und die wesentlichen Lösungswege zu relevanten Aufgaben werden vorgestellt. So wird letztendlich die Tutorübung unterstützend vorbereitet, in deren Fokus das selbstständige Lösen von Aufgaben steht.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Tafelanschrieb mit Hilfe eines Tablet-Computers, Darstellung von experimentellen Aufbauten, Messdaten mit Hilfe von Folienpräsentation, Handouts wichtiger Folien für Handnotizen des Studenten/der Studentin. Den Hörern wird eine pdf-Version des Inhalts ("Tafelanschrieb" mit Folien) der jeweiligen Vorlesung nach deren Abhaltung zum "download" zur Verfügung gestellt. Aufgabenzettel zum eigenständigen Bearbeiten von Problemstellungen aus der Physik der kondensierten Materie werden wöchentlich zum download zu Verfügung gestellt.

• R. Gross, A. Marx, "Festkörperphysik", Walther de Gruyter (2018).
• N.W. Ahcroft, N.D Mermin, "Solid State Physics", Holt-Saunders International Editions.
• C. Kittel, "Introduction to Solid State Physics", Wiley. [Bemerkung: Ältere Ausgaben behandeln Grundlagen ausführlicher. Aktuelle Ausgaben geben einen Überblick auch über moderne Entwicklungen in der Physik der kondensierten Materie.]
• Ch. Weißmantel, C. Hamann, "Grundlagen der Festkörperphysik", Wiley-VCH.
• H. Ibach, H. Lüth, "Festkörperphysik: Einführung in die Grundlagen", Springer. [Bemerkung: Experimentelle Methoden werden mit speziellen Abschnitten hervorgehoben und einzeln besprochen.]
• W. Buckel, R. Kleiner, "Supraleitung: Grundlagen und Anwendungen", Wiley-VCH.
• Sammlung typischer Prüfungsfragen: https://www.ph.tum.de/academics/bsc/break/2018s/fk_PH0018_00_examquestions.pdf

Das Erreichen der Lernergebnisse wird anhand einer mündlichen Prüfung (Dauer ca. 40 Minuten) bewertet. Mittels spezifischer Fragestellung wird exemplarisch überprüft, inwieweit die Studierenden in der Lage sind die grundlegende Konzepte aus der Physik der kondensierten Materie selbst anzuwenden, um physikalische Eigenschaften, die an kondensierter Materie beobachtet werden, mit der kristallinen Struktur und elektronischen Bandstrukturen in Verbindung zu bringen und zu erklären. Die möglichen Fragestelllungen konzentrieren sich auf die grundlegenden Eigenschaften von verschiedenen Materialklassen wie Metalle, Halbleiter, Isolatoren und Supraleiter und insbesondere deren elektrische, magnetische und optische Eigenschaften. Z.B müssen die Studierenden in der Lage sein, die experimentellen Methoden der Physik der kondensierten Materie zur Bestimmung der elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften verschiedener Materialklassen (Metalle, Halbleiter, Isolatoren und Supraleiter) zu beschreiben und die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern auf der Basis klassischer und quantenmechanischer Modelle sowie unter Zuhilfenahme der Elektrodynamik und Thermodynamik quantitativ zu erklären. Des Weiteren müssen die Studierenden in der Lage sein, Fragen zur Funktionsweise einiger wichtiger Bauelemente und Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik und Sensorik zu beantworten.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.