Content 

• Internal structure of simple atoms 
• Interactions with light fields 
• Complex atoms 
• Molecular structure 
• Atomic collisions 
• Special topics on quantum information, precision measurements, atomic clocks 

Exercise Sheets 

• The problems of the tutorial of the week n are based on the lecture of the week n-1.
• The sheet will be put up on Wednesday afternoon of the week n-1.
• You have to solve it and put up your solution on the uebungen website before Tuesday 23:59 of the week n.
• You can work in group but we ask you to upload your own handwritten solution as a single pdf-file.
• There will be 12 sheet, each valued 10 points.
• To participate in the final exam you need to have collected at least 80 points among the 120 (2/3).
• Points are given for logical line of thought - you do not need to give back the corrected sheet.
• The solution of the exercise sheets will be published but only in the week after the tutorials have happened. 

Exam

• Written, 2 hours 
• During the exam week between 02.02.26-06.02.26 - exact date will be announced later 

Literatur 

• J.-L. Basdevant/J. Dalibard: Quantum Mechanics (Springer, 2002).
• C. Cohen-Tannoudji/B. Diu/F. Laloë: Quantum Mechanics (3 Volumes) (2nd. ed., Wiley-VCH, 2020) [German version online available via University Library: Vol. 1 / Vol. 2 / Vol. 3]
• B.H. Bransden/C.J. Joachain: Physics of Atoms and Molecules (2nd ed., Prentice Hall, 2003).
• I.V. Hertel/C.-P. Schulz: Atoms, Molecules and Optical Physics 1 & 2 (Springer, 2015). [available via University Library: Vol. 1 / Vol. 2]
• Daniel A. Steck: Quantum and Atom Optics (available online)

Overview

The lecture provides an overview of both fundamental and applied aspects of optical phenomena based on classical and quantum properties of radiation and matter relevant to modern science, from basic research to quantum technologies.

The knowledge you will acquire in this course is highly useful if you plan to work in this area. It complements the content of the lecture "Advanced Atomic and Molecular Physics" and the course "Experimental Methods in Atomic and Molecular Physics" taught in the winter and summer semesters, respectively.  

Learning goals

After completing this course the students will be able to:

• describe the basic principles and experimental methods of optics and photonics

• analyse standard experimental approaches to optics and photonics

• apply the methods and design experimental set-ups in optics and photonics

Required knowledge

• basic knowledge in electromagnetism and quantum physics

Content

• Ray optics

• Wave optics

• Interference, Beam optics, Gaussian optics

• Fourier optics

• Coherence

• Propagation of Light in Media

• Polarisation

• Photons and atoms

• Light-matter interaction: Classical, semi-classical, quantum

• Lasers

• Non-linear optics

• Ultra-short laser pulses

Practical information

Where? When?

• Lecture will be in presence

• Fridays, 9:15-11:00 (INF 226 K2-3 - Goldbox)

• First Lecture: 17.10.2025

Tutorials

• Tutorials will be in presence (INF 226 K2-3 - Goldbox)

• Fridays, 11:15-12:00 (please register)

• First Tutorial: 24.10.2025

Registration

• Register through HeiCo for the lecture. Then register the tutorial group.

Exercise Sheets

• will become available online every week after the lecture. 

• can be downloaded from the web page.

• to be handed in by Thursday 12:00 (noon) of the following week (electronically through the Übungsgruppenverwaltung)

• can be prepared in groups of up to 3 students

• in the tutorial students present their solutions. Participation in the tutorial will be accounted for in the final grade.

Exam

• Pass (without grade): Solve 75% of the exercises

• Pass (with grade): Additional oral exam

• Date: 6th February 2026 (to be confirmed)

ECTS points

Lecture and Tutorials: 4 ECTS points

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.

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 Penningfallen
-Röntgenspektroskopie von astrophysikalischen Plasmen mit hochgeladenen Ionen
-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
-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

Erster Seminartermin: 28.10.2025

Zeit: wöchentlich,

Di. 16:00 bis 18:00; Ort: INF 227 / Übungsraum (622703402)

Dozenten: José R. Crespo López-Urrutia

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 vom Betreuer (crespojr@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.