Fortgeschrittenenpraktikum - Versuche

Hier werden die im aktuellen Semester angebotenen Versuche präsentiert

Versuchsangebot im Wintersemester 2018

Assistent: Engel, Felix
Institut: 5.PI
Raum: 5.125
Tel.: 64966
E-Mail: engel (at) pi5.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.544    Telefon: 64850

Ziel des Versuchs ist, einige grundlegende Laserspektroskopiemethoden und ein Diodenlasersystem kennen zu lernen, wie sie in Atom- und Quantenoptik-Experimenten eingesetzt werden.
Die Spektroskopie wird an einer Dampfzelle mit Rubidium durchgeführt, wobei der Übergang 5S1/2 → 5P3/2 mit einer natürlichen Linienbreite von Γ / 2π = 6 MHz durch den Laser angeregt wird. Sowohl der Grundzustand als auch der angeregte Zustand besitzen eine Hyperfeinstruktur, die im Versuch ausgemessen werden sollen.
Da die Rubidium-Dampfzelle etwa Zimmertemperatur hat sind die Spektrallinien verbreitert und in der einfachsten Spektroskopie, der Absorptionsspektroskopie, kann nur die Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands 5S1/2 beobachtet werden. Allerdings lassen sich aus diesem Spektrum schon Eigenschaften des Rubidium-Dampfes bestimmen (Temperatur, Absorptionskoeffizient, Dampfdruck). Zur Untersuchung der Hyperfeinstruktur im angeregten Zustand 5P3/2 wird die Sättigungsspektroskopie angewandt.
Da die Frequenz des Lichtes eines Diodenlasers durch thermische Schwankungen und Veränderungen im Strom mehrere 10 MHz pro Stunde driften kann, soll der Laser schließlich mithilfe einer Spektroskopie auf einen atomaren Übergang frequenzstabilisiert werden, wie es zum Beispiel zum Kühlen und Fangen von Atomen in einer magnetooptischen Falle (MOT) notwendig ist. Dazu werden im Versuch die Polarisationsspektroskopie und die DAVLL-Spektroskopie eingesetzt.

Stichworte:
Halbleiterlaser, Gitter-stabilisierter Diodenlaser, Frequenzstabilisierung von Halbleiterlasern, Doppler-verbreiterte Spektroskopie, Doppler-freie Spektroskopie, Sättigungs-Spektroskopie, Polarisations-Spektroskopie, Hyperfeinaufspaltung

Assistent: Hüseyin Vural
Institut: IHFG
Raum: 0.034
Tel.: 65189
E-Mail: h.vural (at) ihfg.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.535    Telefon: 64866

Mit einem Intensitätsinterferometer (auch Hanbury-Brown-Twiss-Interferometer genannt) kann die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung eines Lichtfeldes gemessen werden. Diese gibt Auskunft über die zeitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung, zwei einzelne Photonen aus der Emission einer Lichtquelle als Funktion ihres relativen zeitlichen Abstandes (Delay) „tau“ zu detektieren.
Die Messung der Korrelationsfunktion zweiter Ordnung ist heute eine etablierte Methode, die es erlaubt, die charakteristische Photonenstatistik unterschiedlicher Arten von Lichtquellen zu unterscheiden und auch qualitativ zu analysieren. Sie ist somit ein Standardwerkzeug in vielen Bereichen der Quantenoptik.
Im vorliegenden Versuch sollen Messungen an klassischen Lichtquellen wie einer Glühbirne (schwarzer Strahler) und einem Laser (kohärenter Strahler) durchgeführt werden. Die charakteristische Zwei-Photonen-Korrelation dieser Art von Quellen können noch im Rahmen der klassischen Feldbeschreibung (ohne Photonenhypothese) erklärt werden.
Im Gegensatz dazu zeigt zum Beispiel die Korrelation der Emission von atom-ähnlichen Emitterstrukturen wie NV-Störstellenzentren in Diamant ein Verhalten nicht-klassischer Art, welches nur im Rahmen der Annahme eines gequantelten Lichtfeldes interpretiert werden kann. Anders als bei klassischen Lichtquellen kann solch ein isoliertes NV-Zentrum zur Emission nur eines einzelnen Photons angeregt werden. Aufgrund der Tatsache, dass Photonen die unteilbar kleinsten Quanten des elektromagnetischen Feldes darstellen und nach Emission eines Photons durch ein NV-Zentrum zunächst eine erneute Anregung der Quelle erfolgen muss, werden bei Messung eines solchen Emitters niemals zwei Photonen gleichzeitig detektiert. Man beobachtet hier den technologisch wichtigen Effekt des „Photonen-Antibunching“, also zeitlich separierter Photonen.

Stichworte:
Einzelphotonendetektion, Korrelationsfunktion 2. Ordnung, Hanbury Brown und Twiss Interferometer, Kohärenz des Lichtfeldes, Immersionsmikroskop, Raumfilter, schwarze Strahler, kohärente Strahler, nichtklassische Lichtquellen, (Super-/Sub-) Poisson-Statistik, quantenmechanischer harmonischer Oszillator, Feldfluktuationen und Varianz der Lichtzustände

Assistent: Ullmann, Til
Institut: IGVP
Raum:
Tel.: 62171
E-Mail: til.ullmann (at) igvp.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: PI 218    Telefon: 2480

Über 99% der sichtbaren Materie im Universum liegt im Plasmazustand vor. Auf der Erde findet man natürlich vorkommende Plasmen nur in den oberen schichten unserer Atmosphäre oder etwa in Blitzen. Erst seit den 1920’er Jahren hat sich eine Gruppe um Irving Langmuir der wissenschaftlichen Untersuchung von im Labor erzeugten Plasmen gewidmet. Langmuir prägte dabei auch den Begriff des „Plasmas“.
In diesem Versuch wird das Arbeiten mit einer der wichtigsten Diagnostiken in der Plasmaphysik, der Langmuir-Sonde, erlernt. Es werden zwei verschiedene Typen dieser Sonde, die Einzel- und die Doppelsonde, verwendet, um die Plasmaparameter einer Glimmentladung in Abhängigkeit verschiedener Entladungsparameter zu studieren. Mittels der Langmuir-Sonde lassen sich so eine Reihe von fundamentalen Eigenschaften eines Plasmas veranschaulichen, welches dieses von den anderen Aggregatzuständen der Materie abgrenzt.

Assistent: Helden, Laurent
Institut: 2. Physikalisches Institut
Raum: 5.549
Tel.: 65219
E-Mail: l.helden (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 5.330    Telefon:

In diesem Versuch wird die Wechselwirkung zwischen einem kolloidalen Teilchen, das in Wasser suspendiert ist, und einer Glaswand untersucht. Bei diesen mikroskopischen Objekten treten Kräfte im Femtonewton Bereich auf, die mit herkömmlichen Methoden, wie Rasterkraftmikroskopie, kaum aufgelöst werden können. Die hier verwendete Totale-Interne-Reflektionsmikroskopie (TIRM) erreicht die dazu benötigte Sensitivität indem die Brownsche Bewegung des Teilchens mit Hilfe von evaneszenter Lichtstreuung detektiert wird.
Auf diese Weise können sowohl das elektrostatische Potential, die Gravitationskraft als auch Lichtkräfte, die auf das kolloidale Teilchen wirken, analysiert werden. Eine (hydro-) dynamische Auswertung der Messdaten erlaubt darüber hinaus die Bestimmung der Abstandsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten vor einer Oberfläche.

Stichworte:
Brownsche Bewegung, Diffusion vor einer Wand, kolloidale Wechselwirkungen, evaneszentes Lichtfeld, optische Pinzette, Lichtkräfte

Assistent: Yavkin, Boris
Institut: 3.PI
Raum: 6.557
Tel.: 65276
E-Mail: boris.yavkin (at) gmail.com

Versuch:
Raum: 1.913    Telefon: 64876

Mit Hilfe eines Klystrons und der wichtigsten Hohlleiterbauteile werden am ersten Versuchstag Versuche zur Mikrowellentechnik durchgeführt. Es werden die verwendeten Bauteile (Detektordiode, Foliendämpfer) kalibriert und dann die wichtigsten Eigenschaften des Klystrons (Modendiagramme) untersucht. Wellenlängen- und Stehwellenmessungen sowie die Anpassung eines fehlangepassten Hohlleiterbauteiles stellen typische Aufgaben der Mikrowellentechnik dar.
Am zweiten Tag werden an einem ESR-Spektrometer die folgenden paramagnetischen Substanzen untersucht: polykristallines 1,1-Diphenyl-2-Picryl-Hydrazyl (DPPH), DPPH verdünnt in Polystyrol, polykristallines CuSO4 und wässrige Mn2+-Lösung. Aus den mit Lock-In-Technik gemessenen Absorptionskurven können die g-Faktoren der Substanzen sowie im Falle von DPPH und Mn2+ die Größe des Kernspins und die Elektronendichte am Kernort bestimmt werden.
Der dritte Tag widmet sich einer Serie von Proben mit verschiedenen Konzentrationen des freien Radikals 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) in Toluol. Die aufgenommenen Spektren geben Aufschluss über den Heisenbergschen Spinaustausch und ermöglichen die Bestimmung sowohl der Geschwindigkeitskonstante des Spin-Austausches als auch der Lebensdauer der vorliegenden Spinzustände.

Stichworte:
Mikrowellentechnik (Erzeugung, Hohlleiter, Hohlraumresonator),
ESR-Spektrometer (Klystron, Einweghohlleiter, “Sumpf”, magisches T, Richtkoppler),
Spinbewegung im Magnetfeld, klassische und quantenmechanische Beschreibung, Bloch`sche Gleichungen

Assistent: Maulana, Lucky Zaehir
Institut: 1. PI
Raum: 3.527a
Tel.: 685-69790
E-Mail: lucky-zaehir.maulana (at) pi1.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 3.326    Telefon:

Der damals 22-jährige Student Brian D. Josephson sagte 1962 aufgrund der BCS-Theorie interessante Tunneleffekte bei Supraleitern voraus, die inzwischen vielfältige praktische Anwendungen gefunden haben. So können zum Beispiel durch Ausnutzung des DC-Josephson-Effekts mit Hilfe von so genannten SQUIDs die magnetischen Eigenschaften eines Festkörpers untersucht werden. Der AC-Josephson-Effekt kann zur Präzisionsbestimmung von h/2e verwendet werden und ermöglicht so die Einführung eines genaueren, besser reproduzierbaren Spannungsnormals.
Im Praktikumsversuch wird eindrucksvoll das Tunneln von Quasiteilchen und Cooper-Paaren beobachtet. Als Probe dient hierzu ein Niob-Aluminiumoxid-Tunnelkontakt. Mit Hilfe der Tunnelexperimente wird das supraleitende Niob charakterisiert. Hierbei können wichtige Kenngrößen des Supraleiters wie die Sprungtemperatur oder die Temperaturabhängigkeit der Energielücke sehr elegant bestimmt werden. Zudem kann mit Hilfe eines externen Magnetfeldes die charakteristische Magnetfeldabhängigkeit des DC-Josephson-Stromes beobachtet werden.
Im Versuch wird hierzu in die Tieftemperatur- und Vakuumtechnik eingeführt.

Stichworte:
Supraleitung, Tunneleffekt, Quasiteilchen-Tunneln, Cooper-Paar-Tunneln, Kryo-Technik, flüssiges Helium

Assistent: Konzelmann, Annika
Institut: 4PI
Raum: 4-509
Tel.: 69872
E-Mail: a.konzelmann (at) pi4.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.543    Telefon: 64867

Ziel des Versuchs ist es, einen Standard-Transmissions-Spektroskopie-Aufbau zu justieren und damit die optischen Eigenschaften metallischer photonischer Kristalle zu untersuchen.
Photonische Kristalle sind in der Regel künstlich hergestellte periodische Strukturen, bei denen der Brechungsindex räumlich moduliert wird. Dabei liegen die Perioden der Modulation in der Größenordnung von optischen Wellenlängen. Ähnlich wie natürliche Kristalle für Ladungsträger können photonische Kristalle eine energetische Bandstruktur für Photonen aufweisen. Typischerweise werden sie durch regelmäßige Anordnung von Silikatstrukturen, Polymeren oder Metallen hergestellt.
Metallische photonische Kristalle wie in diesem Versuch bestehen aus periodisch angeordneten kleinen Goldpunkten/-drähten auf einem Wellenleiter. Daher werden die optischen Eigenschaften der Probe sowohl durch die Goldstruktur als auch durch das Wellenleitermaterial bestimmt.
Im Versuch werden winkelabhängige Extinktionsspektren von Proben verschiedener Perioden für TE- und TM-Polarisation aufgenommen und daraus die Rabi-Aufspaltung sowie die Bandstruktur bestimmt.

Stichworte:
Linsen, Abbildungen, Partikelplasmon, Wellenleiter, geführte und quasigeführte Moden, Totalreflexion, Beugungsgitter, Polariton, Polariton-Aufspaltung, Bandstruktur, Bandlücke, vollständige Bandlücke

Assistent: Hornung, Florian
Institut: IHFG
Raum: 1.009
Tel.: 63888
E-Mail: f.hornung (at) ihfg.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.540    Telefon: 64855

In diesem Versuch werden die optischen Eigenschaften von Halbleiter-Quantenpunkten untersucht. Quantenpunkte sind künstlich hergestellte Strukturen, die Elektronen und Löcher in einem sehr kleinen Volumen einschließen und somit Quantisierungseffekte bei den erlaubten Elektronen- und Lochzuständen hervorrufen. Diese Eigenschaften machen sie besonders attraktiv für die Entwicklung von neuartigen Lichtquellen wie z.B. Einzelphotonenemittern oder Lasern mit sehr niedrigen Schwellstromdichten.

Die Photolumineszenzspektren der Quantenpunkte werden bei tiefer Temperatur (ca. 4 K) gemessen. Hierzu werden die Proben in einem Helium-Flusskryostaten abgekühlt und mit Hilfe eines HeNe-Lasers optisch angeregt. Das emittierte Licht wird mit Hilfe von Linsen gesammelt und in einem Monochromator spektral zerlegt. Zum Nachweis wird eine CCD-Kamera mit der zugehörigen Auswertesoftware verwendet.

Assistent: Swaathi Upendar
Institut: 4PI
Raum: 4-509
Tel.: 60510
E-Mail: s.upendar (at) pi4.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.921    Telefon: 64876

Rauschen bestimmt letztlich in allen physikalischen Messungen die Empfindlichkeitsgrenze. Es gibt kein Messsystem, das frei von statistischen Schwankungen ist. Bei Strom- und Spannungsmessungen haben diese Schwankungen ihre Ursachen in der endlichen Größe der Elementarladung (Schrotrauschen) bzw. in der thermischen Bewegung der Ladungsträger (thermisches Rauschen).
Eine genaue Rauschanalyse erlaubt daher die präzise Messung der Elementarladung e- und der Boltzmann-Konstanten kB. In diesem Versuch ist also das Rauschen selbst das auszuwertende Signal.

Assistent: Uykur, Ece
Institut: 1.PI
Raum: 3.553
Tel.: 69791
E-Mail: ece.uykur (at) pi1.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 3.530    Telefon:

Glasartige Stoffe bilden beim Erstarren keine Kristallstrukturen aus, sondern gehen bei der sogenannten Glastemperatur in ein metastabiles thermodynamisches Gleichgewicht über. Über diesen Zustand ist seit Jahren eine intensive Diskussion im Gang: Kann man bei einem erstarrten glasartigen Stoff von einem Festkörper sprechen oder muss man ihn als sehr zähe Flüssigkeit ansehen? Diese Frage gewinnt immer mehr an Bedeutung, da zu den glasartigen Stoffen nicht nur Fensterglas oder verschiedene Alkohole gehören, sondern auch polymere Kunststoffe, die in der Herstellung von Datenträgern wie Disketten oder CDs verwendet werden.
Eine Möglichkeit, etwas über die Dynamik von Gläsern zu erfahren, ist die Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften in einem elektrischen Wechselfeld. Mit dieser Methode wird in dem Versuch die Glastemperatur für Glycerin bestimmt.

Stichworte:
Hochfrequenz-Messtechnik, Netzwerkanalysator, Elektrostatik, Elektrodynamik, Relaxationsprozesse und deren Temperaturabhängigkeit, Peltier-Element

Assistent: Böttcher, Fabian
Institut: 5. Physikalisches Institut
Raum: 4.108
Tel.: 64953
E-Mail: f.boettcher (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.544    Telefon: 64850

Elektromagnetisch induzierte Transparenz ist ein quantenmechanischer Effekt mit dem man die optischen Eigenschaften eines Mediums durch ein weiteres Lichtfeld so beeinflussen kann, dass ein Wechsel von Absorption zu Transparenz möglich ist. Dieser Effekt hat auch einen starken Einfluss auf die Dispersionsrelation des Mediums, was zum Beispiel extrem langsame Gruppengeschwindigkeiten nach sich zieht.
Mit Hilfe der steilen Dispersion können Lichtpulse sogar abgebremst (Nature 397, 594 (1999)) oder gespeichert werden, was für die Realisierung von Quantenkommunikationsnetzwerken ein fundamentaler Baustein sein kann. Vorraussetzung ist lediglich ein Medium mit einem passenden 3-Niveau System, wie zum Beispiel in einem Gas von Rubidiumatomen.
Ziel des Versuchs ist es, in einer Rubidium-Dampfzelle das Phänomen der Elektromagnetisch Induzierte Transparenz zu beobachten und seine Abhängigkeit auf verschiedene Parameter experimentell zu untersuchen (z.B. Laserintensitäten, Lichtpolarisation, Magnetfelder…). In der Auswertungsphase soll schließlich eine quantitative Übereinstimmung von den Messungen mit selbst erstellten numerischen Simulationen erzielt werden.

Voraussetzung:
FP-Versuch Laserspektroskopie

Assistent: Schmidt, Jan-Niklas
Institut: 5.PI
Raum:
Tel.: 64953
E-Mail: jn.schmidt (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.544    Telefon: 64850

Das Kühlen und Fangen von neutralen Atomen spielt in der modernen Atomphysik eine wichtige Rolle. Bereits 1975 wurde die Idee entwickelt, dass man die Atome eines Gases durch zwei entgegengesetzte Laserstrahlen abbremsen und damit abkühlen könnte. Die erste magneto-optische Falle (engl. magneto-optical trap, kurz MOT), die die Atome durch Laserlicht kühlen und fangen konnte, wurde von David Pritchard und Steven Chu 1987 realisiert. Die MOT stellt den Ausgangspunkt für fast alle Experimente mit kalten Atomen dar. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Phillips 1997 für ihre "Entwicklung von Methoden zum Kühlen und Einfangen von Atomen mit Hilfe von Laserlicht" den Nobelpreis in Physik erhielten.
Mit diesem Versuch wird den Studentinnen und Studenten die Möglichkeit geschaffen, an einer Thematik, die nahe an der aktuellen Forschung liegt, zu arbeiten. Die Erkenntnisse, welche im FP-Versuch Laserspektroskopie erlangt wurden, können nun angewendet werden, um eine MOT mit Rubidium Atomen zu realisieren. Nachdem die MOT optimal justiert wurde, kann sie im Anschluss charakterisiert werden. Eine weitere wesentliche Aufgabe besteht nun darin, die MOT hinsichtlich der Atomzahl und der Temperatur zu optimieren.
Je nach Interesse können weitere Versuche an den ultrakalten Atomen durchgeführt werden.

Voraussetzung:
FP-Versuch Laserspektroskopie

Assistent: Izzatjon Allayarov
Institut: 4PI
Raum: 4-546
Tel.: 64959
E-Mail: i.allayarov (at) pi4.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.919    Telefon: 64875

Eine die klassische Mechanik auszeichnende Eigenschaft ist der Determinismus. Die Bewegungen klassischer Systeme werden durch Differentialgleichungen beschrieben. Im einfachsten Fall sind dies lineare Differentialgleichungen zweiter Ordnung. Diese sind durch gegebene Anfangsbedingungen lösbar.
Betrachtet man allerdings nichtlineare Systeme, so kann es sein, dass das System sehr stark von wenigen Kontrollparametern abhängt. Ändern sich z.B. die Anfangsbedingungen oder tritt Reibung auf, so erhält man inhomogene Differentialgleichungen. Die Lösbarkeit dieser Gleichungen ist nicht immer direkt möglich und auch mit numerischen Hilfsmitteln kann man hier sehr schnell an die Grenzen der Berechenbarkeit stoßen. Die globale Beschreibbarkeit des Systems bricht also zusammen, es führt chaotische Bewegungen aus.
In diesem Versuch soll es darum gehen herauszufinden, wovon chaotisches Verhalten abhängt und in wie weit es sich vorhersagen lässt. Dafür stehen zwei verschiedene Systeme zur Verfügung. Einerseits ein invertiertes Pendel und andererseits ein Shinriki-Oszillator.
Das Pendel ist ein rein mechanisches System, an welchem man direkt chaotisches Verhalten beobachten kann.
Der Shinriki-Oszillator ist ein elektrischer Schwingkreis, welcher auf einfache und vor allem auch schnelle Art und Weise eine Untersuchung des Systems ermöglicht.
An beiden Versuchsteilen können grundlegende Phänomene chaotischer Systeme untersucht werden.

Stichworte:
Phasenraumdiagramm, Attraktor, Bifurkation, Feigenbaumkonstante, Lyapunov-Exponent, Kirchhoff´sche Regeln, Shinriki-Oszillator, Mono-/Bistabiles Pendel, Autokorrelationsfunktion

Assistent: Niggemann, Oliver
Institut: ITP2
Raum: 3.560
Tel.: 64940
E-Mail: niggemann (at) theo2.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.911    Telefon: 64872

In diesem Versuch werden die Grundlagen der Kernspinresonanztomograpie (NMR-Imaging) vermittelt. Dazu wird im ersten Versuchsteil ein grundlegendes Verständnis über die Erzeugung eines NMR-Signals, der Optimierung dieses Signals und der Gewinnung der darin enthaltenen Informationen erarbeitet.
Im zweiten Versuchsteil wird mit verschiedenen bildgebenden Verfahren gearbeitet, wobei Unterschiede, Vor- und Nachteile sowie theoretische und technische Grenzen erforscht werden sollen.

Assistent: Scheffler, Marc
Institut: 1. Physikalisches Institut
Raum: 3.554
Tel.: 64944
E-Mail: scheffl (at) pi1.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1. PI    Telefon:

Das Blockpraktikum Festkörperspektroskopie wird am 1. Physikalischen Institut (Prof. Martin Dressel) durchgeführt. Dabei werden Fragen aus der Festkörperphysik behandelt, die z.B. Supraleiter, magnetische Materialien oder exotische Metalle betreffen können. Die Experimente werden an verschiedenen Spektrometern durchgeführt, die sonst für die Forschung eingesetzt werden. Die hierbei zur Verfügung stehenden Frequenzbereiche umfassen sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, THz-Strahlung sowie Mikrowellen. Häufig werden die Experimente bei tiefen Temperaturen durchgeführt.
Die Fragestellungen dieses Blockpraktikums wählen wir jeweils so aus, dass sie im Rahmen einer einwöchigen Messphase sowie einer weiteren Woche der Datenauswertung und Interpretation behandelt werden können. Diese Themen sind meist direkt mit den Forschungsaktivitäten des Instituts verknüpft, so dass sich für die Teilnehmer vielfältige Einblicke in die aktuelle Festkörperforschung ergeben.

Bei Fragen können Sie sich an Dr. Marc Scheffler wenden:
marc.scheffler@pi1.physik.uni-stuttgart.de

Assistent: Jetter, Michael
Institut: IHFG
Raum: 5.162
Tel.: 65105
E-Mail: m.jetter (at) ihfg.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: IHFG    Telefon:

In diesem Blockpraktikum werden mittels eines in der Halbleiterindustrie etablierten Technik, der metallorganischen Gasphasenepitaxie, Halbleiter – Nanostrukturen hergestellt. Diese werden unter Verwendung von Röntgendiffraktometrie, Rastermikroskopen und optischer Spektroskopie charakterisiert. Basierend auf diesen Untersuchungen werden detaillierte ortsaufgelöste optische Untersuchungen vorgenommen um die elektronischen Eigenschaften der hergestellten Nanostrukturen zu erschließen.

Assistent: Shagieva, Farida
Institut: 3. Physikalisches Institut
Raum: 6.548
Tel.: 65578
E-Mail: f.shagieva (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 3. PI    Telefon:

Der Versuch Quantencomputer behandelt die praktische Implementierung von Quantenalgorithmen mithilfe optisch aktiver, paramagnetischer Festkörperdefekte und vertieft dabei das Verständnis elementarer Begriffe und Techniken der Quantentechnologie, magnetischer Spinresonanz, und Quantenoptik.

Assistent: Huang, Zhihua
Institut: IHFG
Raum: 1.005
Tel.: 60499
E-Mail: z.huang (at) ihfg.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.540    Telefon: 64855

In diesem Versuch werden die optischen Eigenschaften von Bulk-Halbleitern und Halbleiterquantenwells untersucht. Zusätzlich wird mit einer Natriumdampflampe das Auflösungsvermögen des Gitterspektrometers mit verschiedenen Gratings untersucht.
Quantenwells sind niederdimensionale Strukturen mit besonderen Eigenschaften. Sie werden für verschiedene Laser als aktives Medium eingesetzt.
In diesem Versuch wird die Bandstruktur von verschiedenen Halbleiterheterostrukuren durch das Lumineszenzspektrum untersucht. Insbesondere wie sich die Bandlücke durch Materialkomposition und Dicke beeinflussen lässt. Für die Luminszenzuntersuchungen werden die Proben mit einem Badkryostaten in flüssigem Helium auf 4 K abgekühlt und mit einem Helium-Neon-Laser optisch angeregt. Das Spektrum wird dann mittels eines Gitterspektrometers und einer CCD-Kamera spektral aufgelöst detektiert.
Die Ergebnisse werden anschließend mit der Literatur verglichen.

Stichworte:
HeNe-Laser, Halbleiter-Heterostrukturen, Vegardsches Gesetz, Donator-Akzeptor-Übergang, Potentialtopfmodell, optische Übergänge (in QWs), tiefkalte Gase (N2, He), Exziton, Badkryostat, Natrium D-Linie, Spektrometer, CCD

Assistent: Rostyslav Semenyshyn
Institut: 4. Physikalisches Institut
Raum: 4.311
Tel.: 60516
E-Mail: r.semenyshyn (at) pi4.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.907    Telefon: 64870

Metamaterialien sind eines der aktuellsten Themen der Nanooptik. Optische Tarnkappen, perfekte Linsen, die Brechung des Abbe'schen Beugungslimits können mit Metamaterialien realisiert werden.
Im Blockpraktikum "Metamaterialien" werden wir selber Metamaterialien mit Hilfe einer neuen bottom-up Methode herstellen, wobei eine Nanokugelmonolage als Aufdampfmaske für verschiedene metallische Nanostrukturen dient. Anschließend wird ihre Geometrie im Elektronenmikroskop charakterisiert und ihre optischen Eigenschaften spektroskopisch vermessen.
Der spannende viertägige Versuch verknüpft Optik, Festkörperphysik und Spektroskopie und endet mit einer englischen Abschlusspräsentation.

Stichworte:
Plasmonik, Licht und Materie Wechselwirkung, Aufdampfen metallischer Nanostrukturen

Assistent: Takeshi Kobayashi
Institut: ICP
Raum: 1.077
Tel.: 63658
E-Mail: tkobayashi (at) icp.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: ICP    Telefon:

Dieser Versuch soll eine Einführung in die Visualisierung und Molekulardynamik von Biomolekülen geben. Dabei werden zunächst Strukturen einiger beispielhafter Proteine betrachtet und charakterisiert. Desweiteren werden zwei Proteine mit Hilfe der klassischen Molekulardynamik untersucht.
Die Durchführung dieses Versuchs gliedert sich in vier Abschnitte. Für den ersten Praktikumstag ist eine Visualisierung verschiedener Proteine, die Vorbereitung der Eingabe-Daten und der Start der Simulation vorgesehen. Am zweiten Praktikumstag sollen die produzierten Ergebnisse analysiert werden.

Assistent: Hadiseh Alaeian
Institut: 5.PI
Raum: 3.111
Tel.: 60149
E-Mail: alaeian (at) pi5.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.544    Telefon: 64850

Das Kühlen und Fangen von neutralen Atomen spielt in der modernen Atomphysik eine wichtige Rolle. Bereits 1975 wurde die Idee entwickelt, dass man die Atome eines Gases durch zwei entgegengesetzte Laserstrahlen abbremsen und damit abkühlen könnte. Die erste magneto-optische Falle (engl. magneto-optical trap, kurz MOT), die die Atome durch Laserlicht kühlen und fangen konnte, wurde von David Pritchard und Steven Chu 1987 realisiert.
Die MOT stellt den Ausgangspunkt für fast alle Experimente mit kalten Atomen dar. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Phillips 1997 für ihre "Entwicklung von Methoden zum Kühlen und Einfangen von Atomen mit Hilfe von Laserlicht" den Nobelpreis in Physik erhielten.
Mit diesem Versuch wird den Studentinnen und Studenten die Möglichkeit geschaffen, an einer Thematik, die nahe an der aktuellen Forschung liegt, zu arbeiten. Ziel ist es dabei, sich mit den Methoden eines modernen und komplexen Atomphysikexperiments vertraut zu machen. Hierzu gehört neben dem experimentellen Teil auch ein Einblick in die Datenauswertung. In diesem Blockpraktikum können die Erkenntnisse, welche im FP-Versuch Laserspektroskopie erlangt wurden, nun angewendet werden, um eine MOT mit Rubidium Atomen zu realisieren.
Nachdem die MOT optimal justiert wurde, kann sie im Anschluss charakterisiert werden. Eine weitere wesentliche Aufgabe besteht nun darin, die MOT hinsichtlich der Atomzahl und der Temperatur zu optimieren. Dafür werden gängige Methoden wie Fluoreszenz – und Absorptionsabbildungen verwendet. Die Temperatur der so in der MOT gefangenen Atome wird durch das Dopplerlimit begrenzt. Um dieses Limit zu unterschreiten, wird im nächsten Schritt die Technik der Polarisationsgradientenkühlung eingesetzt.

Assistent: Qi Ai
Institut: 4. Physikalisches Institut
Raum: 4-511
Tel.: 64962
E-Mail: q.ai (at) pi4.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.535    Telefon:

Plasmonen, die kollektiven Anregungen der Leitungselektronen in Metallen, sind longitudinale Schwingungen und können im Volumen deshalb mit Licht nicht angeregt werden. Dagegen lassen sich Oberflächenplasmonen unter bestimmten Bedingungen an Dielektrika/Metall-Grenzflächen anregen. Eine gängige Methode hierfür ist die Prismenkopplung nach Kretschmann. Aufgrund ihrer extremen Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Brechungsindexänderungen wird die daraus entwickelte Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie heute vor allem in der Sensorik und in Lab-on-a-chip Technologien angewendet. Im ersten Teil des Versuchs wird die Dispersion der Oberflächenplasmonen gemessen, im zweiten Teil dann mit Hilfe einer speziellen Lock-In-Technik die druckabhängige Brechungsindexänderung von Stickstoff bestimmt.
Stichworte: Drude-Modell, Volumen-, Oberflächen-, Partikelplasmonen, Dispersionsrelation von Oberflächenplasmonen, Lock-In Verstärker, Druckabhängigkeit Brechungsindex von Gasen.

Assistent: Xing Chen
Institut: 3.PI
Raum: 6.507
Tel.: 65781
E-Mail: xing.chen (at) pi3.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.922    Telefon: 64877

In diesem Versuch soll eine Quelle zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare untersucht werden. Dabei wird die sponatane parametrische Fluoreszenz in einem nichtlinearen Kristall ausgenutzt, um ein Photon mit einer Wellenlänge lambda_p = 405 nm spontan in zwei Photonen der Wellenlänge Lambda_dc = 810 nm zu spalten. Aufgrund des Entstungsprozesses zeigt das Photonenpaar starke Korrelationen in Energie, Zeit und Impuls. Durch bestimme Phasenanpassungen der wechselwirkenden Felder im Kristall ist es zusätzlich möglich eine Verschränkung des Polarisationszustand des Photonenpaares zu erhalten. Es ist möglich alle vier sog. Bell-Zustände zu erzeugen. Ziel des Versuches ist es den Aufbau so zu justieren, dass einer der Bell-Zustände emittiert wird. In dieser Konfiguration ist es möglich die Bell-Ungleichung zu verletzten. Zusätzlich kann durch eine Quanten-Tomographie-Messung der Zustand eines Photons sowie der Zustannd des Zwei-Photonen-System bestimmt werden.
Stichworte: spontaneous parametric down-conversion; Type-II Phasenanpassung; Wellenausbreitung in anisotropen Medien; Polarisation in der Quantenmechanik; Polarisation eines Zwei-Photonenzustandes; Bell-Zustände; Verschränkung; Bell- & CHSH-Ungleichung; Quantum State Tomography
Literatur: M. Beck, Quantum Mechanics: Theory and Experiment, Oxford University Press, (2012) C. Kurtsiefer, M. Oberparleiter und H.Weinfurter, High-effciency entangled photon pair collection in type-II parametric fluorescence, Phys. Rev. A, (2001)1

Assistent: Kaiser, Stefan
Institut: MPI-FKF
Raum: 7M19
Tel.: 689 1775
E-Mail: s.kaiser (at) fkf.mpg.de

Versuch:
Raum: MPI    Telefon:

Assistent: Niemann, Ulrike
Institut: FMQ3
Raum: 5.130
Tel.:
E-Mail: U.Niemann (at) fkf.mpg.de

Versuch:
Raum: FMQ    Telefon:

Dickenabhängigkeit der Sprungtemperatur in supraleitenden Dünnfilmen

Assistent: Köhn, Alf
Institut: IGVP
Raum: 4-442
Tel.: 69686
E-Mail: koehn (at) igvp.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: PI 218    Telefon:

Erhöht man kontinuierlich die Temperatur eines Gases, erreicht man einen Punkt, von dem an die Atome ionisiert werden. Das Gas besteht dann aus Ionen, Elektronen und Neutralen. Da die freien Ladungsträger nun über große Distanzen miteinander wechselwirken, treten einige Effekte auf, die man im Neutralgas nicht beobachtet. Man bezeichnet diesen Zustand der Materie als Plasma. Das kollektive Verhalten der Teilchen spielt vor allem für Wellen im Plasma eine wichtige Rolle. In diesem Versuch wird in einer Doppelplasma-Anlage mittels einfacher thermionischer Entladung ein Plasma erzeugt. Zur Bestimmung der Elektronendichte werden Oszillationen bei der Elektronenplasmafrequenz mit Hilfe eines Elektronenstrahls angeregt. Ein großflächiges Gitter erlaubt weiterhin die Anregung von Ionenschallwellen. Durch den Vergleich mit herkömmlichen akustischen Wellen im Neutralgas lassen sich wichtige Grundprinzipien eines Plasmas verdeutlichen: Es handelt sich hier um longitudinale Druckwellen, deren elektrischer Feldvektor in Ausbreitungsrichtung zeigt. Im Gegensatz zum Neutralgas beruht die Wechselwirkung zwischen Teilchen nicht nur auf kurzreichweitigen direkten Stößen, sondern auch auf langreichweitigen Coloumb-Wechselwirkungen. Die Dispersionsrelation der Ionenschallwelle und deren räumliche Dämpfung werden mit einer Langmuir-Sonde bestimmt. Anschließend wird noch der Übergang zu nichtlinearen Stoßwellen untersucht.

Assistent: Zentile, Mark
Institut: 5.PI
Raum: 3.107
Tel.: 60946
E-Mail: mzentile (at) pi5.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.518    Telefon:

In dem Versuch werden Kolloidpartikel mit Hilfe einer optischen Pinzette gefangen und untersucht. Kolloide sind mesoskopische Teilchen mit einer Größe zwischen 10 nm bis 10 µm. Als Modellsysteme eignen sie sich hervorragend zur Untersuchung von kollektivem Verhalten, wie z.B. Phasenübergängen oder Diffusion. Im Versuch wird der „random walk“ einzelner freier und gefangener Kolloidteilchen mit Videotechnik analysiert und daraus die Diffusionskonstante und das Potential, in dem die Teilchen gefangen sind, bestimmt. Außerdem kann aus der Maximalgeschwindigkeit, bei der die Teilchen gerade noch im Potential gehalten werden, direkt die Stokesche Reibung der Kolloidpartikel in der Flüssigkeit bestimmt werden.

Assistent: Blankenhorn, Marian
Institut: FMQ 3
Raum: 5.509
Tel.: 65134
E-Mail: marian.blankenhorn (at) fmq.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.911    Telefon:

In dem Versuch wird die magnetische Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich zwischen 80 K und 350 K bestimmt. Neben Fragen der Messtechnik am Beispiel eines einfachen Kryostaten als variable Temperaturplattform geht es vor allem in dem Versuch darum, die reichhaltigen magnetischen Eigenschaften am Beispiel ausgewählter Proben zu veranschaulichen. Von einfachen (fast) nicht wechselwirkenden Spins in paramagnetischen Proben über das komplexe magnetische Verhalten in Ferrimagneten bis hin zum idealen Diamagnetismus in Supraleitern. Es steht eine reichhaltige Auswahl an magnetischen Proben zur Verfügung. Die Studenten haben am Versuchstag also eine gewisse Wahlmöglichkeit, welche physikalische Fragestellung sie bearbeiten wollen.

Assistent: Krauth, Joachim
Institut: 4. Physikalisches Institut
Raum: 4-514
Tel.: 64957
E-Mail: j.krauth (at) pi4.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.922    Telefon:

In diesem Versuch werden zwei für die Laserentwicklung sehr wichtige nichtlineare optische Effekte untersucht: Die Frequenzverdopplung (SHG) und die sättigbare Absorption eines Materials.
Der Schwerpunkt des Versuchs liegt auf der Anwendung dieser Effekte, die zum Beispiel für frequenzverdoppelte bzw. gepulste Lasersysteme genutzt werden.
Im ersten Teil des Versuchs wird zunächst ein sehr kompakter diodengepumpter Nd:YAG-Laser aufgebaut. Es werden alle relevanten Laserparameter untersucht und der Aufbau optimiert.
Im zweiten Teil des Versuchs wird untersucht, wie die Laserstrahlung am effizientesten frequenzverdoppelt werden kann (beim FP-Versuch werden beispielsweise aus 1064 nm 532 nm erzeugt). Außerdem werden mit Hilfe eines sättigbaren Absorbers kurze Laserpulse erzeugt.

Stichworte:
kurze Laserpulse, Second Harmonic Generation, Stabilität von Resonatoren, sättigbare Absorption

Assistent: Löw, Robert
Institut: 5. Physikalisches Institut
Raum: 4.158
Tel.: 64954
E-Mail: R.Loew (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.944    Telefon:

Das integrierte Optikpraktikum wird als zweiwöchiges Blockpraktikum vom 5. physikalischen Institut (Prof. Dr. Tilman Pfau) in Zusammenarbeit mit dem IHFG (Prof. Dr. Peter Michler) angeboten.
In diesem Praktikum werden mehrere elementare optische Komponenten untersucht, die genau so auch in den Forschungslaboren verwendet werden. Dabei ist das Ziel die Funktionsweise und Limitationen der Bauteile durch direktes experimentieren kennenzulernen. Zum Einsatz kommen z.B. polarisationserhaltende Fasern, akkusto-optische Modulatoren, Pockels-Zellen, Michelson interferometer, etc.
Im Unterschied zum üblichen Praktikumsbetrieb werden hier alle Versuche von den Praktikanten von Grund auf aufgebaut und auch die zu untersuchende Fragestellung ist zu einem großen Teil nicht festgelegt. Die Versuchseinheiten werden durch kurze Vorlesungseinheiten ergänzt um notwendige Grundlagen zu rekapitulieren. Das erworbene technische und praktische Wissen ist von direktem Nutzen für den Einstieg in den Forschungsalltag in den Laboren des 3., 4. und 5. physikalischen Institutes sowie des IHFG.

Bei Fragen können Sie sich an Dr. Robert Löw wenden:
r.loew@physik.uni-stuttgart.de