Magnetische und elektronische Messverfahren
Magnetic and Electronic Measurement Techniques

Dieses Modul gibt eine Einführung in die Physik und Technik moderner magnetischer und elektronischer Messverfahren. Nach einer Wiederholung einiger Grundlagen wird zunächst die Erzeugung magnetischer Felder in Laborumgebungen diskutiert. Im Hauptteil der Vorlesung werden verschiedene Messverfahren vorgestellt, jeweils im Zusammenhang mit relevanten physikalischen Fragestellungen. Diese betreffen beispielsweise die Bestimmung von Fermi-Flächen mit Drehmomentmagnetometrie, der spezifischen Wärme von Volumenproben, von Domänenstrukturen in magnetischen Festspeicherplatten mit Hilfe von Magnet-Kraft-Sensorik, den magnetooptischen Kerr-Effekt oder die Ausrichtung von atomaren magnetischen Momenten auf Festkörper-Oberflächen detektiert durch spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie. Dargestellt werden die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien und die technische Umsetzung der Messmethodik im Labor. Es wird die Physik sowohl des untersuchten Phänomens als auch der relevanten Messtechnik diskutiert. Herausgearbeitet werden die grundlagenphysikalischen Aspekte in diesem Bereich der Experimentalphysik. Aktuelle wissenschaftliche Entwicklungen in diesem Themengebiet werden in dem Modul berücksichtigt.

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der / die Studierende in der Lage:

1. verschiedene Entwürfe von Magnetsystemen und die Auswirkung von Magnetfeldern auf verschiedene Festkörpersysteme zu verstehen und zu erklären;
2. die physikalischen Aspekte bestimmter Labormessverfahren, insbesondere die physikalische Wechselwirkung zwischen Messobjekt und Sensor zu verstehen und zu erklären;
3. die technische Umsetzung verschiedener Messverfahren wiederzugeben und zu erklären;
4. das räumliche und zeitliche Auflösungsvermögen von Messverfahren zu bewerten;
5. für die Untersuchung physikalischer Fragestellungen im Magnetismus und der elektronischen Struktur relevante Exprimentieraufbauten auszuwählen und zu skizzieren;
6. die verschiedenen Längen- und Zeitskalen, auf denen magnetische und elektronische Phänomene auftreten bzw. ablaufen, zu benennen.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Exkursion (Laborführungen). Die Vorlesung besteht aus einer Beamerpräsentation in der sowohl PowerPoint-Folien zur grafischen Veranschaulichung als auch ausführlicher Textanschrieb mit digitaler Tinte verwendet werden. Diese Mischung dient einerseits der schnelleren Übersicht über Sachverhalte und Experimente und andererseits einer Anpassung des Vorlesungstempos an die Geschwindigkeit der Studierenden. Ausgewählte kleinere „Hausaufgaben“ mit direktem vertiefendem Bezug zum Vorlesungsstoff werden im Rahmen des folgenden Vorlesungstermins besprochen. Der Zeitrahmen der Vorlesung erlaubt viel Interaktion und die Beantwortung von Fragen während der Präsentationen. Die entstehenden wissenschaftlichen Diskussionen beziehen die Studirenden aktiv ein.

Die Vorlesung wird ergänzt von Laborführungen. Die Termine für die Laborführungen werden nach Vereinbarung festgelegt und orientieren sich am aktuellen Laborgeschehen. Der überwiegende Teil der diskutierten Messverfahren wird am Physik-Department aktuell in der Forschung eingesetzt, so dass hier ein breites Spektrum abgedeckt wird. Je nach Zustand des konkreten experimentellen Aufbaus werden bei den Laborführungen unterschiedliche Schwerpunkte gesetzt. Zum Beispiel kann an einem Experiment im Umbau oft die technische Umsetzung im Detail angeschaut werden, während bei einem wichtigen laufenden Experiment die magnetischen Eigenschaften des untersuchten Systems in den Vordergrund treten.

Das Zusammenspiel aus Folien-Präsentation für Übersicht und Details, ausführlichem Textanschrieb und Diskussionszeit für die solide Grundlagenbildung sowie Laborführungen für den direkten Praxisbezug erlaubt es den Studierenden, die oben formulierten konkreten Kompetenzen in Bezug auf die Physik und Technik magnetischer Messverfahren zu erwerben.

Vorlesungsskript mit Folien und Textanschrieb, begleitende Internetseite, ergänzende Literatur

1. Kronmüller H., Parkin S.S.P. (Eds.): Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, Vols. 1-5 (Wiley, Chichester, 2007)
2. Getzlaff, Matthias: Fundamentals of Magnetism (Springer Verlag, 2008)
3. Zhu, Yimei: Modern techniques for characterizing magnetic materials (Springer New York, 2005)
4. Ashcroft, Mermin: Solid State Physics (Saunders, 1988)

Es findet eine mündliche Prüfung von 25 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:

• Benennen Sie verschiedene Entwürfe von Magnetsystemen und diskutieren Sie Ihre Vor- und Nachteile
• Diskutieren Sie die physikalischen Mechanismen, die dem Konzept der Magnetkraftmikroskopie zu Grunde liegen
• Klassifizieren Sie das räumliche und zeitliche Auflösungsvermögen der in der Vorlesung diskutierten magnetischen Messverfahren
• Skizzieren Sie die konkrete technische Umsetzung eines in der Vorlesung behandelten magnetischen Messverfahrens