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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.

Modulversion vom SS 2018 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
SS 2018SS 2013

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 90 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 diesem Modul 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

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

  • die physikalischen Grundlagen zu den Themengebieten supraleitende Elektronik, supraleitende Sensoren sowie supraleitende Quantenelektronik und Quantenschaltkreise zu beschreiben und anzuwenden.
  • das makroskopische Quantenmodell der Supraleitung zu erklären und zur Beschreibung von schwach gekoppelten Supraleitern anzuwenden.
  • die Josephson-Effekte zu illustrieren und physikalisch zu interpretieren.
  • die grundlegenden Eigenschaften von Josephson-Kontakten und Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs) zu benennen und zu erklären.
  • die Funktionsweise des Josephson-Spannungsstandard zu erklären.
  • die Grundzüge der supraleitende Digitalelektronik zu beschreiben.
  • die Funktionsweise und physikalischen Grundlagen von supraleitenden Teilchendetektoren und  Mikrowellenbauelementen zu illustrieren.
  • sekundäre Quanteneffekte beim Josephson-Effekt zu beschreiben.
  • die physikalischen Grundlagen von supraleitenden Quantenschaltkreisen (Resonatoren, Quantenbits, Schaltkreis-QED) zu erklären.
  • die Grundlagen zur Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schalkreisen und zur Quantenkommunikation mit propagierende Quantenmikrowellen zu benennen.

Voraussetzungen

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

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und dazu begleitende Übungen.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert (Tafelanschrieb, Beamer-Präsentation). Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen um so ihr analytisch-physikalisches Denkvermögen zu fördern.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Medienformen

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur, PowerPoint-Folien, Filme, Laborführung, etc.

Literatur

  • Vorlesungsskript und Vorlesungsfolien
  • R. Gross & A. Marx, Festkörperphysik, de Gruyter, 3. Auflage (2018)
  • 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

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Erklären Sie die Grundlagen des makroskopischen Quantenmodells der Supraleitung
  • Diskutieren Sie, wie mit dem makroskopischen Quantenmodell der Supraleitung die Strom-Phasen- und die Energie-Phasen-Beziehung hergeleitet werden können
  • Zeigen Sie, wie aus der Strom-Phasen- und die Energie-Phasen-Beziehung die London-Gleichungen und die Fluxoid-Quantisierung abgeleitet werden können
  • Wie können wir mit Hilfe des makroskopischen Quantenmodells der Supraleitung die grundlegenden Eigenschaften von schwach gekoppelten Supraleitern herleiten?
  • Was sind Josephson-Kontakte und mit welchen Grundgleichungen können sie beschrieben werden?
  • Was sind die charakteristischen Längen- und Zeitskalen von Josephson-Kontakten? • What are the characteristic length and time scales of Josephson junctions?
  • Diskutieren sie die Dynamik von Josephson-Kontakten im Spannungszustand. Mit welchen Gleichungen können wir sie beschreiben?
  • Diskutieren Sie das Verhalten von Josephson Kontakten in einem angelegten Magnetfeld und einer angelegten Wechselspannung
  • Erklären Sie die physikalischen Grundlagen, die Funktionsweise und mögliche Anwendungen von supraleitenden Quanteninterferometern
  • Erklären Sie die physikalischen Grundlagen und die Funktionsweise von supraleitenden Teilchen- und Mikrowellendetektoren
  • -
  • Diskutieren Sie sekundäre Quanteneffekte in Josephson-Kontakten. Unter welchen Bedingungen spielen diese eine wichtige Rolle?
  • Leiten Sie den Hamilton-Operator für einen Josephson-Kontakt her. Was sind die konjugierten Variablen?
  • Was verstehen wir unter der nichtlinearen Josephson-Induktivität?
  • Wie können wir mit Josephson-Kontakten Quantenbits realisieren?
  • Was verstehen wir unter Relaxation und Dephasierung von Quantenbits? Was sind die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen?
  • Diskutieren Sie die grundlegenden Eigenschaften von supraleitenden Fluss-, Ladungs- und Phasen-Quantenbits. Wie können wir sie manipulieren und auslesen?
  • Diskutieren Sie die grundlegenden Eigenschaften von supraleitenden Mikrowellenresonatoren
  • Was verstehen wir unter der supraleitenden Schaltkreis-Quantenelektrodynamik?
  • Diskutieren Sie das Jaynes-Cummings-Modell und seinen Gültigkeitsbereich. Was verstehen wir unter schwacher, starker und ultra-starker Kopplung?
  • Diskutieren Sie die Eigenschaften von propagierenden Quantenmikrowellen

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

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