Supraleitung und Tieftemperaturphysik 2
Superconductivity and Low Temperature Physics 2

Dieses Modul gibt einen fundierten Einblick in die faszinierenden Eigenschaften von Quantenflüssigkeiten, mesoskopischen Festörpersystemen (Nanostrukturen) und experimentellen Tieftemperaturtechniken. Im Einzelnen werden folgede Themenbereiche behandelt:

• Bose-Einstein Kondensation
• suprafluides Helium-3 und Helium-4
• Quanteninterferenzeffekte in mesoskopischen metallischen Systemen (schwache Lokalisierung, universelle Leitwertfluktuationen, etc.)
• Coulomb-Blockade und Einzelelektronentransitoren
• Erzeugung tiefer Temperaturen
• Messung tiefer Temperaturen

Nach erfolgreicher Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage

• die fundamentalen Unterschiede zwischen klassischen und Quantenflüssigkeiten zu identifizieren
• den Übergang von einer klassischen zu einer Quantenflüssigkeit durch Absenken der Temperatur zu beschreiben
• die Bedeutung der Quantenstatistik (Bosonen vs. Fermionen) für das Verhalten von Quantenflüssigkeiten zu erklären
• die Herleitung der Bose-Einstein-Kondensationstemperatur zu illustrieren
• die grundlegenden Eigenschaften von suprafluidem He-4 und He-3 zu benennen und zu erklären
• die charakteristischen Längen- und Zeitskalen, die beim Ladungstransport in mesoskopischen Leitern eine Rolle spielen, zu benennen, zu erklären und für die Beschreibung von Transportphänomenen anzuwenden
• die Auswirkungen von Quanteninterferenzeffekten beim Ladungstransport in mesoskopischen Systemen zu beschreiben und für die Erkärung von Phänomenen wie den universellen Leitwertfluktuationen oder der schwachen Lokalisierung anzuwenden
• die wichtigsten Methoden zur Erzeugung und Messung tiefer Temperaturen zu benennen sowie deren physikalischen Grundlagen zu beschreiben und zu erklären

Grundlegende Kenntnisse zur Physik der Kondensierten Materie und zur Quantenmechanik.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert (Tafelanschrieb, Beamer-Präsentation). Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen um so ihr analytisch-physikalisches Denkvermögen zu fördern.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur, PowerPoint-Folien, Filme, etc.

• Vorlesungsfolien
• R. Gross & A. Marx: Festkörperphysik, De Gruyter Oldenbourg, (2012)
• C. Enns & S. Hunklinger: Low Temperature Physics, Springer, (2005)
• T. Heinzel: Mesoscopic Electronics in Solid State Nanostructures, Wiley-VCH, (2010)
• F. Pobell: Matter and Methods at Low Temperatures, Springer, (2007)
• T. Kent: Experimental Low-Temperature Physics, Palgrave, (1993)

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Beschreiben Sie die fundamentalen Unterschiede zwischen klassischen und Quantenflüssigkeiten
• Diskutieren Sie den Übergang von einer klassischen zu einer Quantenflüssigkeit durch Absenken der Temperatur
• Erklären Sie die Bedeutung der Quantenstatistik (Bosonen vs. Fermionen) für das Verhalten von Quantenflüssigkeiten
• Schätzen Sie die Bose-Einstein-Kondensationstemperatur ab
• Erklären Sie die grundlegenden Eigenschaften von suprafluidem He-4 und He-3? Wodurch unterscheiden sie sich?
• Beschreiben Sie die charakteristischen Längen- und Zeitskalen, die beim Ladungstransport in mesoskopischen Leitern eine Rolle spielen. Wie ändern sie sich mit der Temperatur?
• Welche Auswirkungen haben Quanteninterferenzeffekten beim Ladungstransport in mesoskopischen Leitern?
• Was sind universelle Leitwertfluktuationen, was versteht man unter schwacher Lokalisierung? Wie können wir diese Phänomene messen?
• Benennen Sie die wichtigsten Methoden zur Erzeugung und Messung tiefer Temperaturen. Auf welchen physikalischen Phänomenen beruhen sie?

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.