Angewandte Supraleitung (Josephson-Effekte, Supraleitungselektronik und Supraleitende Quantenschaltkreise)
Applied Superconductivity (Josephson Effects, Superconducting Electronics and Superconducting Quantum Circuits)

Modul PH2157

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.

Basisdaten

PH2157 ist ein Semestermodul in Englisch oder Deutsch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

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

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

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 110 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2157 ist Rudolf Gross.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Obwohl das Phänomen Supraleitung immer noch etwas exotisch anmutet, hat es doch mittlerweile eine Vielzahl sehr interessanter und relevanter Anwendungen. In dieser Spezialvorlesung werden die wichtigsten aktuellen und zukünftigen Einsatzmöglichkeiten in der Elektronik, Sensorik und der Quanteninformationsverarbeitung diskutiert, und zwar ausgehend vom sogenannten makroskopischen Quantenmodell der Supraleitung. Die Anwendung supraleitender Schaltkreise für die Realisierung einer zuküftigen Quantenelektronik hat vor allem im Zusammenhang mit der Entwicklung von Quanteninformationssystemen starkes Interesse geweckt und wird in großen Verbundprojekten erforscht (z.B. SFB 631, Exzellenzcluster NIM). In diesem Modul wird die Physik supraleitender Quantenschaltkreise diskutiert und gezeigt, wie solche Schaltkreise mit supraleitenden Dünnschicht- und Nanostrukturen realisiert werden können. Es wird ferner vorgestellt, wie diese Schaltkreise für die Erforschung der fundamentalen Licht-Materie-Wechselwirkung, für die Realisierung von festkörperbasierten Quanteninformationverarbeitungsystemen und für die Quantensimulationen verwendet werden können.

Hinsichtlich der Anwendungen der Supraleitung in der Elektronik und Sensorik wird auf folgende Themen eingegangen:

  • makroskopisches Quantenmodell der Supraleitung
  • Josephson-Effekte
  • Josephson-Kontakte & Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs)
  • Josephson-Spannungsstandard
  • supraleitende Digitalelektronik
  • supraleitende Teilchendetektoren & Mikrowellenanwendungen

 Hinsichtlich der Anwendung der Supraleitung in der Quantenelektronik werden folgende Themen diskutiert:

  • sekundäre Quanteneffekte beim Josephson-Effekt
  • supraleitende Schaltkreise: von Resonatoren bis zu Quantenbits
  • Quantenelektrodynamik mit Schalkreisen: "Quantenoptik auf einem Chip"
  • Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schalkreisen
  • propagierende Quantenmikrowellen

Lernergebnisse

Durch die Teilnahme an diesem Modul erwerben sich die Studenten und Sudentinnen fundierte Kenntnisse zu den Themengebieten supraleitende Elektronik, supraleitende Sensoren sowie supraleitende Quantenelektronik und Quantenschaltkreise. Diese erlauben es ihnen, Fragestellungen insbesondere zu folgenden Themenkomplexen zu verstehen, zu analysieren und zu bewerten:
1) makroskopisches Quantenmodell der Supraleitung, 2) Josephson-Effekte, 3) Josephson-Kontakte & Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs), 4) Josephson-Spannungsstandard, 5) supraleitende Digitalelektronik, 6) supraleitende Teilchendetektoren & Mikrowellenanwendungen, 7) sekundäre Quanteneffekte beim Josephson-Effekt, 8) supraleitende Schaltkreise: von Resonatoren bis zu Quantenbits, 9) Quantenelektrodynamik mit Schalkreisen: "Quantenoptik auf einem Chip", 10) Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schalkreisen, 11) propagierende Quantenmikrowellen.

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VU 6 Applied Superconductivity: Josephson Effects, Superconducting Electronics and Superconducting Quantum Circuits Deppe, F. Gross, R. Montag, 14:00–16:00
Mittwoch, 14:00–16:00
sowie Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

Vortrag, Beamerpräsentation, Tafelarbeit, Übungen in Einzel- und Gruppenarbeit, Diskussion

Medienformen

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur.

Literatur

  • Vorlesungsskript und Vorlesungsfolien
  • R. Gross & A. Marx, Festkörperphysik, Oldenbourg-Verlag (2012)
  • Tinkham: Introduction to Superconductivity
  • K. K. Likharev: Dynamics of Josephson Junctions and Circuits Gordon and Breach Science Publishers, New York (1986)
  • T. P. Orlando, K. A. Delin: Foundations of Applied Superconductivity, Addison-Wesley, New York (1991)
  • Fossheim, Sudbo: Superconductivity - Physics and Applications
  • Buckel, Kleiner: Supraleitung
  • de Gennes: Superconductivity of Metals and Alloys
  • Claude Cohen-Tannoudji: Quantum Mechanics, Volume I, Wiley-Interscience (2006)

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

In einer mündlichen Prüfung wird das Erreichen der Lernergebnisse durch Verständnisfragen und Beispielaufgaben bewertet.

Die Prüfung kann in Übereinstimmung mit §12 (8) APSO auch schriftlich abgehalten werden, in diesem Fall ist der Richtwert für die Prüfungsdauer 90 Minuten.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.