Analyse von neuartigen funktionellen Materialien mit Synchrotronstrahlung: Techniken und Anwendungen
Advanced Materials Analysis with Synchrotron Radiation: Techniques and Applications

Dieses Modul gibt einen umfassenden Überblick über die derzeit modernsten experimentellen Photon-basierten Methoden zur Untersuchung funktionaler Systeme in den Materialwissenschaften, der Festkörperphysik, den Nanowissenschaften und der Physikalischen Chemie.

Photonen erlauben uns auf vielfältige Art und Weise die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Festkörpern zu untersuchen und auf atomarer Ebene zu verstehen. Die Vorlesung gibt einen umfassenden Überblick über eine Vielzahl von experimentellen Methoden, welche - insbesondere - auf der Anwendung von Synchrotron-Strahlung beruhen. Hierbei werden die physikalischen Grundlagen, die experimentellen Herangehensweisen und der entsprechende Versuchsaufbau eingehend erklärt. Darüber hinaus werden die Stärken, die Anwendungsmöglichkeiten und die Bedeutung der Methoden in den verschiedenen Sparten der experimentellen Physik an aktuellen Beispielen erläutert und diskutiert.

Das Modul beinhaltet folgende Themengebiete:

•    Wechselwirkung von Photonen mit Materie
•    Grundlagen der Synchrotron Strahlung
•    Aufbau einer "beam line" am Synchrotron
•    Experimentelle Methoden der Röntgenstreuung und -beugung
•    Röntgenabsorptionsspektroskopie und "soft X-ray magnetic dichroism"
•    Hochauflösende Photoelektronenspektroskopie
•    Photoelektronenbeugung und "X-ray standing waves"
•    Photoemissionselektronenmikroskopie
•    Spinpolarisierte Methoden
•    Zeitaufgelöste Spektroskopie

Wie die vielfältigen Anwendungsbeispiele zeigen werden, wird Synchrotron-Strahlung fachgebietsübergreifend (interdisziplinär) eingesetzt in den Bereichen: Kondensierte Materie, Materialwissenschaften, Physikalische Chemie, Oberflächen- und Nanowissenschaften, Katalyse, Biophysik.

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

1. die physikalischen Grundlagen der Synchrotron-Strahlung, die technischen Aspekte ihrer Erzeugung und ihre experimentelle Anwendung zu verstehen und erklären.
2. die physikalischen Grundlagen, die Anwendungsmöglichkeiten und den Informationsgehalt - sei dieser z. B. struktureller, elektronischer und/oder magnetischer Natur - einer Vielzahl von unterschiedlichen Synchrotron-basierten Methoden zu verstehen und einzuschätzen.
3. die physikalischen Phänomene in den untersuchten Systemen, welche untrennbar mit der Quanten-Natur der Elektronen, deren komplexen Wechselwirkungen und deren Dynamik verbunden sind, zu begreifen. 

Viele der behandelten experimentellen Methoden gewinnen sowohl in der akademischen als auch in der industriellen Forschung zunehmend an Bedeutung. Das erlangte Wissen und die fächerübergreifende Bedeutung der behandelten experimentellen Methoden soll den experimentellen Horizont der Studierenden erweitern und kann sich für die spätere berufliche oder akademische Laufbahn als nützlich erweisen.

Keine zwingend nötigen Voraussetzungen. Grundlagen der Quantenmechanik (z.B. PH0007) und der Festkörperphysik (z.B. PH0019) können jedoch vorteilhaft sein.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung. In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert, dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen und das eigene analytisch-physikalische Denkvermögen gefördert.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und Rechenaufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Methoden:

• Vorlesung: Vortrag, Beamerpräsentation, Tafelarbeit.
• Übungsstunden mit Tafelanschrieb, Diskussion, Seminaren und Aufgaben, um die aktive Teilnahme der Studierenden anzuregen.
• Frageliste für Selbstevaluierung.
• Laborbesuch (TUM).
• Besuch bei einer Europäischen Synchrotron-Forschungseinrichtung möglich (am Ende des Sommersemesters).

Vortrag, Beamerpräsentation, Tafelarbeit, Vorlesungsfolien, Übungsblätter. Laborbesuche. Durchführung von Multiple-Choice-Tests in Moodle.

Empfohlene Fachbücher:

• P. Willmott: An Introduction to Synchrotron Radiation: Techniques and Applications, Wiley, (2011)
• J. Als-Nielsen & D. McMorrow: Elements of Modern X-ray Physics, Wiley, (2010)

Ergänzende Literatur: Reviews in wissenschaftlichen Zeitschriften.

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:

• Was sind die grundlegende Komponenten eines Synchrotrons?
• Wie funktioniert ein Undulator?
• Beschreiben Sie die physikalischen Grundlagen der Photoelektronenspektroskopie.

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.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus einer vorgerechneten Übungsaufgabe und eines 25-minütigen Vortrags über ausgesuchte Themengebiete.