Summer Term 2024

This lecture will provide an introduction to the fundamentals and current work in the research area of Attosecond Physics.  The pioneers of this field were awarded the Physics Nobel Prize in 2023 for providing the ultrashort flashes of light (attosecond pulses), and current opportunities to employ their techniques for the understanding and steering of electron motion in matter are quickly expanding.

The lecture will be accompanied by a tutorial (right after the lecture) for praticing our understanding of key concepts and physics pictures, also including (computational) experiments.

Important Dates:

- 16 July 2024, 14:15 @MPIK Lab Tour, meet at MPIK main gate (close to Bus 39 busstop)

- 23 July 2024, 14:15 Exam/Klausur at Philosophenweg 12, Großer Hörsaal (gHS), 2. OG/second upper floor (801002008X)

Contents

0. Introduction
   • A brief reminder of some basics of quantum mechanics
1. Quantum theory of matter
   • Identical particles
   • Bosons and fermions
   • Fock space
2. Interactions
   • Scattering theory
   • Potential scattering
   • Lippmann-Schwinger equation and Born approximation
   • Partial-wave expansion
   • Scattering cross section and optical theorem
   • Resonance scattering and bound states
   • Coulomb scattering
3. Theory of quantum states
   • Density matrix
   • Pure states and mixed ensembles
   • Environment and partial trace
   • Entanglement (EPR, Bell's inequalities)
   • Time evolution and thermalization
4. Open quantum systems
   • Markovian approximation and Lindblad Master equation
   • Jaynes-Cummings model
   • Collapse and revival
   • Adiabatic processes

Literature

There are many good textbooks on Quantum Mechanics, here are a few:

• Jean-Louis Basdevant, Jean Dalibard, Quantum Mechanics. Springer 2002.
• Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloë, Quantum Mechanics. Wiley, New York, 2005 (reprint). [ Google books | HEIDI ]
• L.D. Landau and E. M. Lifshitz, Quantum Mechanics. Non-relativistic theory. Pergamon Press, Oxford, 1977. [ HEIDI | Online Full Text ]
• F. Schwabl, Quantenmechanik I, II [in German]. Springer 2007. [ Ebook I | Ebook II ]
• N. Straumann, Quantenmechanik [in German]. Springer 2013. [ Ebook ]
• Steven Weinberg, Lectures on Quantum Mechanics. Cambridge University Press, 2nd ed., 2015. [ Google books | HEIDI ]

Fock space/Second quantization

• A. Altland, B. Simons, Condensed Matter Field Theory, 3rd ed., Cambridge 2023. In particular section 2.1. [ HEIDI ]

Scattering theory

• C.J. Joachain, Quantum Collision Theory. North-Holland, Amsterdam, 1983. [ HEIDI | Scribd Full Text ]
• Landau and Lifshitz (see above), see Chapters XVII & XVIII.
• J. Dalibard, Collisional dynamics of ultra-cold atomic gases. Varenna lecture notes 1998. [ Full Text ]

Open quantum systems

• M.D. Lukin, Modern Atomic and Molecular Physics II. Harvard lecture notes 2016. [ Full Text ]

Prerequisites

contents of PEP1-4, PTP1-4, in particular Quantum Mechanics (PTP4)

This course comprises lectures (2h/week) and exercises (2h/week). The exercise classes will on Fridays, 9:15-10:45, in PhilWeg 12 nHs.

There is a moodle course with more information and lecture materials: https://moodle.uni-heidelberg.de/course/view.php?id=22191

The enrollment password is goquantum

Motivation

Entscheidende Experimente legten die Grundlagen der Quantenphysik und geben weiterhin Impulse für ihre Weiterentwicklung. Intensive Forschung auf dem Gebiet der Quantenstruktur und -dynamik ermöglicht es immer noch, die Grenzen der bekannten Physik durch überschaubare Experimente zu erweitern.

Die in der modernen Atomphysik realisierbare Präparation exquisit isolierter Quantensysteme sowie die unübertroffene Genauigkeit ihrer Messmethoden erlauben auch die Suche nach Physik jenseits der Standardmodelle; daraus entstandene Quantensensoren sind zu unverzichtbaren Werkzeugen der Physik und der allgemeinen Wissenschaft geworden.

Das Seminar soll einen Überblick über Präzisionsexperimente mit atomaren Systemen und ihre aktuellen Anwendungen auf fundamentale Fragen der Physik geben.

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

• Wasserstoffatom: Bohrmodel, Lamb-Verschiebung, Protonenradius
• Atomstrahlen, Atomfallen, Laserkühlung
• Atomuhren, Frequenzmetrologie und Suche nach neuer Physik
• Elektronen, Protonen und Antimaterie in Ionen- und Atomfallen
• Tests der Quantenelektrodynamik mit Penningfalle
• Kernmassenbestimmungen für die Bestimmung der Neutrinomasse
• Beschleuniger und Speicherringe in der Atom- und Molekülphysik
• Studien der Paritätsverletzung in Kernzerfällen und in atomaren Systemen
• Ionenfallen: Quantisierung der Bewegung, Verschränkung, quantum computing
• Quantentests zu Naturkonstanten, Lorentzinvarianz, Dunkler Materie und neuen Teilchen Bose-Einstein-Kondensation und Quantenstatistik
• Materiewellen: vom ersten Nachweis zur modernen Atominterferometrie
• Rydberg-Atome als Testsystem für fundamentale Physik
• Ultrakurzpulslaser und Quantendynamik: von der Nano- zur Femtosekunden-Zeitskala
• Erzeugung von hohen Harmonischen und Attosekundenpulsen
• Zeitaufgelöste Messung der Elektronendynamik in Atomen und Molekülen
• Physik von Freie-Elektronen-Lasern
• Röntgenspektroskopie von astrophysikalischen Plasmen mit hochgeladenen Ionen
• Kernmagnetische Resonanz und Magnetometrie mit Atomen
• Der Hanbury-Brown-Twiss-Effekt
• Der Aharonov-Bohm Effekt: Experimente ohne Störung des Quantenzustands

Erster Seminartermin: 18.04.2024

Zeit: wöchentlich,

Do. 16:15 bis 18:00; Ort: INF 227 / SR 02.402

Co-Dozenten: Klaus Blaum, José R. Crespo López-Urrutia, Skyler Degenkolb

Anmerkungen

- 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, klaus.blaum@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.

Modern experiments have realised an extraordinary degree of control of isolated quantum systems. With a variety of experimental platforms, including photons, ions and neutral atoms it becomes possible to address the fundamental laws that govern quantum mechanics. A large toolbox has emerged that allows tackling different topics from high precision test of fundamental theories using single particles to quantum sensing and quantum simulation on few and many-body systems.

In this seminar we will discuss key experiments in this field. Each student will give a 30min presentation on one topic. The preparation of this presentation will include 2-3 meetings with the respective tutor to discuss the physics as well as the structure of the talk. Special emphasis should be devoted to the clarity of the experimental claims and techniques. After the presentation, a one-page summary should be provided. Further, it is expected that the students attend all presentations and participate with active feedback and questions. 

The seminar takes place on Fridays from 11:15 to 13:00. In the first seminar date (19/04/2024), we will give an introduction and each student will choose a topic.