Quantenmagnetisums
Quantum Magnetism

Modul PH2310

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom SS 2022 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

Ob die Lehrveranstaltungen des Moduls in einem spezifischen Semester angeboten werden, finden Sie im Abschnitt Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise unten.

verfügbare Modulversionen
SS 2022SS 2021

Basisdaten

PH2310 ist ein Semestermodul in Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie
  • Fokussierungsrichtung Theoretische Quantenwissenschaften & -technologien im M.Sc. Quantum Science & Technology
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Biophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezialisierung im Elitemasterstudiengang Theoretische und Mathematische Physik (TMP)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 90 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2310 ist Johannes Knolle.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Magnetism has been known for millennia but a microscopic understanding has only emerged with the advent of Quantum Mechanics in the last century. This module introduces the basic concepts of quantum magnetism and the theoretical description of magnetic quantum phases of matter. Apart from foundational concepts for long-range ordered ferro- and antiferro-magnetic phases, the lecture covers latest developments in the description of strongly correlated quantum magnets, for example spin fractionalization in quantum spin liquids.

The following topics will be covered in the module:

    Magnetic moments and exchange interactions
    Types of magnetic order and spin waves
    Topological magnon insulators
    Magnetism in metals
    The Hubbard model: Stoner FM and spin density wave AFM
    Kondo effect, heavy fermions and Doniach's phase diagram
    Frustrated Magnetism
    Classical and quantum order by disorder
    Quantum spin liquids and Fractionalization
    Kitaev spin liquids and candidate materials

Lernergebnisse

After successful completion of the module the students are able to...

    ...know and classify different types of magnetism
    ...perform spin wave calculations and calculate spin structure factors
    ...understand the different contributions to the magnetic response of metals
    ...perform calculations for the FM and AFM phases of the Hubbard model
    ...understand the origin of magnetic frustration, non-bipartite lattices and competing interactions
    ...understand quantum order by disorder
    ...perform parton mean field calculation for describing quantum spin liquids
    ...know the origin of spin fractionalization and its experimental consequences
    ...understand the Majorana fermion solution of Kitaev models
    ...know about candidate materials and experimental signatures of quantum magnets

Voraussetzungen

In addition to the requirements for the Master’s program in Physics an understanding of second quantization and quantum statistical mechanics is needed.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

SS 2022 SS 2021
ArtSWSTitelDozent(en)TermineLinks
VO 4 Quantenmagnetisums Knolle, J. Di, 08:00–10:00, PH 3344
Do, 12:00–14:00, PH 3344
 eLearning
UE 2 Übung zu Quantenmagnetisums Birnkammer, S. Jin, H. Leeb, V. Sim, G.
Leitung/Koordination: Knolle, J. 		Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

The main topics and theoretical tools are presented in the lectures, usually in a blackboard style presentation. The application of basic methods and additional specialised techniques are covered in the tutorials. The homework problems are designed to develop the analytic skills of the students and it is expected that solutions are presented and discussed in the tutorial classes.

Medienformen

Blackboard lectures, written notes for download, exercise sheets

Literatur

The following books and advanced reviews will be used:

    A. Auerbach: Interacting Electrons and Quantum Magnetism
    P. Fazekas: Lecture Notes on Electron Correlation and Magnetism
    S. Blundell: Magnetism in Condensed Matter
    P. Coleman: Introduction to Many-Body Physics
    H.T. Diep (Ed.): Frustrated Spin Systems
    C. Lacroix et al. (Eds.): Introduction to Frustrated Magnetism
    X.-G. Wen: Quantum Field Theory of Many-Body Systems
    Knolle and Moessner: A Field Guide to Spin Liquids
    Savary and Balents: Quantum Spin Liquids

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

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:

  • Explain the basics of parton descriptions of quantum spin liquids and its relation to spin fractionalization
  • Explain the basic idea for quantum order by disorder and how to treat it microscopically
  • Explain the SDW phase of the half filled Hubbard model and its excitations

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.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

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