Key experiments in quantum science

Motivation

Entscheidende Experimente bildeten die Grundlagen der Quantenphysik, und geben weiterhin Impulse für ihre Weiterentwicklung. Intensive Forschung auf dem Gebiet der Quantenstruktur und –dynamik erlaubt immer noch, durch überschaubare Laborexperimente die Grenzen der bekannten Physik zu erweitern.

Die in der modernen Atomphysik realisierbare Präparation von exquisit isolierten Quantensystemen, sowie die unübertroffene Genauigkeit der Messverfahren ermöglichen nicht nur die Erzeugung neuer Aggregatzustände der Materie, sondern auch  die Suche nach Physik jenseits des Standardmodels; daraus entstandene Quantensensoren sind wesentliche Werkzeuge der Physik und der allgemeinen Wissenschaft geworden.

Im Seminar werden daher „klassische“ Quantenexperimente und ihre Weiterentwicklungen mit beispielsweise modernen Laserverfahren nebeneinander dargestellt. Damit sollen sowohl die wichtigsten Grundlagen der Quantenphysik als auch ihre gegenwärtigen Anwendungen auf fundamentale Fragestellungen im Zusammenhang behandelt werden. Die Teilnehmenden sollen anhand der Seminarvorträge einen Überblick über die Entwicklung der Grundbegriffe der Quantenphysik bis zu deren aktuellsten Anwendungen bekommen.

Themenvorschläge an die Betreuer sind willkommen. Beispiele für mögliche Themen sind:

• Atomspektroskopie: Vom Bohrmodel über den Nachweis der Lamb-Verschiebung zur Bestimmung des Protonenradius

• Ramsey-Methode: Von der Mikrowellen Cäsium-Atomuhr zur modernen Atomfontäne
• Kernmagnetische Resonanz und Magnetometrie
• Vom Atomstrahl zur Laserkühlung in Atomfallen
• Optischen Pinzetten für die Untersuchung von einzelnen atomaren Stößen
• Vom Stern-Gerlach-Experiment zur Bestimmung des g-Faktors in Penningfallen für Tests der Quantenelektrodynamik
• Ionenfallen: von der Quantisierung der Bewegung zur Verschränkung und quantum computing
• Suprafluidität, Bose-Einstein-Kondensation und Quantenstatistik
• Materiewellen: vom ersten Nachweis zur modernen Atominterferometrie
• Studien der Paritätsverletzung in Kernzerfällen und in atomaren Systemen
• Von Elektronen und Protonen zu Antimaterie in Ionen- und Atomfallen
• Rydberg-Atome: schwachgebundene Atome als Testsystem für fundamentale Physik
• Erzeugung von Laserstrahlung: Festkörperlaser, Gaslaser, Diodenlaser
• Ultrakurzpulslaser und Quantendynamik: von der Nano- zur Femtosekunden-Zeitskala
• Erzeugung von hohen Harmonischen und Attosekundenpulsen
• Fano Resonanzen: Interferenzen von Quantenpfaden für die Dynamik mehrerer Elektronen
• Zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie: von Fraunhofer/Bunsen/Kirchhoff zur ultraschnellen Laserkontrolle von Absorptionslinien
• Molekülspektroskopie und Infrarot-Absorption
• Zeitaufgelöste Messung von Kernbewegung in Molekülen
• Messung der Elektronenbewegung in Atomen und Molekülen mittels Reaktionmikroskopen
• Elektronenstoßanregung: vom Frank-Hertz-Experiment zur modernen atomaren Stoßphysik
• Experimente zu atomaren Stößen als Prüfstein der quantendynamischen Theorieverfahren
• Frequenzkämme mit Femtosekundenlasern
• Ultragenaue Frequenzbestimmungen für Tests der Naturkonstanten, der Lorentzinvarianz sowie für die Suche nach Dunkler Materie und neuen Teilchen
• Elektromagnetisch-induzierte Transparenz
• Laser-erzeugte Röntgenlaser
• Intensive Röntgenblitze: die Physik von Freie-Elektronen-Lasern
• Röntgenspektroskopie: vom Moseley’schen Gesetz zu astrophysikalischen Plasmen mit hochgeladenen Ionen
• Hochangeregte Atome und Moleküle: Relaxationsmechanismen durch die Wechselwirkung mehrerer Elektronen
• Beschleuniger und Speicherringe in der Atom- und Molekülphysik
• Schwarzkörperstrahlung und Quantisierung des elektromagnetischen Feldes
• Der Hanbury-Brown-Twiss-Effekt
• Der Aharonov-Bohm Effekt: Experimente ohne Störung des Quantenzustands

Erster Seminartermin: 19.10.2022

Zeit: wöchentlich, Mi. 14:15 bis 17:45; Ort: Großer Hörsaal, Philosophenweg 12

- Die Seminarvorträge (Deutsch oder Englisch) werden in der Regel 35 Minuten plus Diskussion dauern.

- Eine regelmäßige Teilnahme (>80%) und die Abhaltung eines Vortrags sind Voraussetzung für das erfolgreiche Bestehen des Kurses (PSEM, 2LP).

- Ein zusätzlicher LP (UKS2) wird für die Vorbereitung einer schriftlichen Ausarbeitung des Vortrags mit Folien und inhaltlichen Angaben vergeben werden. 

- Die Benotung der Lehrveranstaltung wird sowohl die Vortragsvorbereitung und -durchführung als auch die aktive Teilnahme an den Diskussionen berücksichtigen. 

- Vier Wochen vor dem jeweiligen Termin wird von den Betreuern (crespojr@mpi-hd.mpg.de, laura.cattaneo@mpi-hd.mpg.de) die für die Vorbereitung des Vortrags notwendige Literatur geschickt. Eine erste gemeinsame Durchsicht des Vortrags mit dem Betreuer soll während der Vorbereitungsphase etwa zwei Wochen vor dem Vortrag stattfinden.

- Nach Bedarf werden ein bis zwei Vorträge pro Seminartermin angesetzt werden