Versuchsbeschreibungen
Festkörperphysik (P4)
Festkörperphysik (P4)
INF2. Quanten-Hall-Effekt (P4) [nur SoSe]
| Adresse | Center for Hybrid Nanostructures (CHyN), Geb. 600 DESY, Luruperchaussee 149 |
| Gruppe | Prof. Dr. Robert Blick Nano-Bio-Technologie |
| Betreuer |
Pai Zhao |
| Versuchsmappe | INF2. Quanten-Hall-Effekt |
Der Quanten-Hall-Effekt (QHE) ist ein Schlüsselexperiment aus dem Bereich des Magnetotransports niederdimensionaler Elektronensysteme. Er wurde 1980 von Klitzing, Pepper und Dorda entdeckt, wofür sie bereits 1985 den Nobelpreis erhielten. Anders als klassisch erwartet steigt der Hall-Widerstand eines zweidimensionalen Elektronensystems nicht linear mit dem Magnetfeld, sondern sprunghaft um Werte, die materialunabhängig, d.h. nur durch Naturkonstanten definiert sind. Auf Basis des QHE wird heute die Einheit Ohm definiert. Auch aktuell ist der QHE von fundamentaler Bedeutung z.B. beim Verständnis des elektronischen Transports in Graphen und topologischen Isolatoren. Neben dem grundlegenden Verständnis des quantenmechanischen Effekts geht es in diesem Versuch um das Erlernen von Methoden zur Charakterisierung von Ladungsträgersystem, welche in Forschung und Industrie zu den Standardmethoden zählen.
Hall- und Längswiderstand eines zweidimensionalen Elektronensystems. Deutlich sichtbar ist, dass der Hall-Widerstand Plateaus bei RHall = 1 / ν ⋅ h / e² hat, wobei ν eine ganze Zahl, h das Plancksche Wirkungsquantum und e die Elementarladung ist. Im Längswiderstand (ρxx) treten die sogenannten Shubnikov-de Haas-Oszillationen auf. Das Inset zeigt ein Mikroskopbild vom sogenannten Hall-Streifen, an dem die Messungen vorgenommen wurden.
Foto: UHH
INF10. Rastertunnelmikroskopie auf Gold und HOPG (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Jungiusstraße 11a, Labor 017 |
| Gruppe | Prof. Dr. Roland Wiesendanger Nanoscience |
| Betreuer |
Andre Kubetzka |
| Versuchsmappe | INF10. Rastertunnelmikroskopie auf Gold und HOPG |
Die Rastertunnelmikroskopie (RTM) (engl.: scanning tunneling microscopy: STM) zählt zu den vielseitigsten Techniken der Experimentalphysik. Sie erlaubt u.a. die Abbildung von Oberflächen und Nanostrukturen bis hinab zur atomaren Skala. Im Versuch INF10 werden Tunnelspitzen aus Pt/Ir-Draht selbst hergestellt, mit denen dann Gold- und einkristalline Kohlenstoff-Proben (HOPG) untersucht werden. Dabei kommen unterschiedliche Messmodi des STMs, wie I(U)- und I(z)-Spektroskopie zum Einsatz. Die Goldoberfläche kann in einer offenen Flamme geheizt (flame annealing) und die Veränderungen mittels STM untersucht werden. Hierbei entsteht im Idealfall eine sogenannte Herringbone-Rekonstruktion.
Foto: UHH
INF11. Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy on Layered Materials (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Jungiusstraße 9a, Raum 102 |
| Gruppe | Prof. Dr. Roland Wiesendanger Nanoscience |
| Betreuer |
Sommersemester: Wintersemester: |
| Versuchsmappe | INF11. Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy on Layered Materials |
In this experiment you will learn to use a scanning tunneling microscope. You will directly “see” the configuration of the atoms on the surface and effects of electron wave interferences at the surface of different layered materials. Moreover, you will use the tip of the scanning tunneling microscope as a tool in order to produce nanometer sized and one atom layer deep triangular shaped holes in the surface, and observe and study the growth of these surface defects over time (see the film). Nowadays scanning tunneling microscopy is one of the standard tools in surface science, which is the science of the surfaces of solid state materials. It is the only technique which is able to deliver real space images of the distribution of the electron states in conductive materials with sub-nanometer spatial resolution. It can thus help us to solve some of the most urgent problems of modern solid state research, e.g., finding the microscopic origin of high temperature superconductivity, resolving the local electronic structure of new phases of matter like topological insulators, or designing novel concepts for transistors which may be used in future information technologies.
Foto: UHH
INF12. Rasterkraftmikroskopie (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | |
| Gruppe | Prof. Dr. Roland Wiesendanger Nanoscience |
| Betreuer |
Dr. Alexander Schwarz |
| Versuchsmappe |
Der Versuch soll die Möglichkeiten der Rasterkraftmikroskopie aufzeigen, Oberflächen von Festkörpern mit hoher lateraler und vertikaler Ortsauflösung (bis in den atomaren Bereich) abzubilden. Dazu wird die zu untersuchende Probe mit einer scharfen Spitze, die sich am freien Ende eines flexiblen Federbalkens befindet, zeilenweise abgetastet. Dabei wird die mechanische Antwort des Federbalkens (im statischen Modus die Verbiegung oder im dynamischen Modus die Frequenz-, Amplituden- oder Phasenänderung) aufgrund der zwischen Spitze und Probe wirkenden Kräfte aufgezeichnet. Zusätzlich kann im spektroskopischen Modus die Stärke der wirkenden Kräfte quantitativ bestimmt werden. Die verschiedenen Messmethoden, um physikalische und chemische Eigenschaften von Oberflächen zu bestimmen, sollen an Hand geeigneter Probensysteme erarbeitet werden. Nach der Einarbeitungsphase steht dann das selbstständige Experimentieren im Vordergrund.
NaCl(001) Oberfläche mit drahtförmigen und kompakten Molekülinseln. Im vergrößerten Bild-ausschnitt ist die regelmäßige Anordnung einzelner Moleküle in einer kompakten Molekülinsel zu sehen.
Foto: UHH
INF13. Magnetkraftmikroskopie MFM (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Jungiusstraße 9a |
| Gruppe | Prof. Dr. Roland Wiesendanger Nanoscience |
| Betreuer |
Dr. Kirsten von Bergmann |
| Versuchsmappe |
Das größte Anwendungsgebiet der Magnetkraft-Mikroskopie ist sicherlich die Untersuchung und Verbesserung von magnetischen Strukturen auf dem Gebiet der magnetischen Sensoren und der Datenspeichertechnik. Herkömmliche Festplatten speichern Daten in uniaxialen magnetischen Strukturen, die im Laufe der Zeit immer kleiner wurden um höhere Speicherdichten zu erzielen. In diesem Versuch werden die Grundlagen der Raster-/Magnetkraft-Mikroskopie sowie des Mikromagnetismus vermittelt. Nach einer Einführung in das Gerät und die Mess- und Auswerte-Software soll die Justierung des Mikroskops, die Messungen und die Auswertung der Daten selbstständig erfolgen. Nach der Vermessung einer nicht-magnetischen Test-Probe zur Einarbeitung wird ein magnetisches Datenspeicherband vermessen. Darüber hinaus stehen weitere magnetische Proben zur Verfügung.
MFM Messung (links: Topographie, rechts: magnetisches Signal) einer Festplatte, aufgenommen von A. Grote und C. Hanneken im F-Praktikum WS 08/09.
Foto: UHH
INF15. Bestimmung der Oberflächenrauigkeit mittels AFM und Röntgenreflektometrie (P4) [nur SoSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld CXNS, Geb. 94, Raum EG.003 (AFM Lab) |
| Gruppe | DESY NanoLab Research Group X-ray Physics and Nanoscience |
| Betreuer |
Dr. Thomas F. Keller |
| Versuchsmappe | INF15. Bestimmung der Oberflächenrauigkeit mittels AFM und Röntgenreflektometrie |
Im Rahmen des Versuchs wird die Oberflächenrauheit unterschiedlicher Proben (dünne Filme und Nanopartikel auf Einkristallen, etc.) durch Abbildung mittels Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) im Ortsraum sowie durch Röntgenreflektometrie (X-Ray Reflectometry, XRR) im reziproken Raum bestimmt. Ziel des Versuchs ist es, sich mit der Definition der Oberflächenrauheit auseinanderzusetzen und die beiden wichtigen komplementären Messmethoden AFM und XRR kennen und anwenden zu lernen. Die Messergebnisse von AFM und XRR werden gefittet und anhand der zu vergleichenden Resultate hinsichtlich der Auflösung von AFM und XRR, des Modells zur Beschreibung der Oberflächenrauheit (Höhen-Höhen Korrelation, laterale Rauheit) sowie des Modells zur Beschreibung der Röntgenstreuung (Fresnel-Reflektivität, Debye-Waller Faktor, Distorted Wave Born Approximation) diskutiert. Die Experimente werden nach Einweisung und unter Betreuung selbstständig durchgeführt.
Foto: DESY
INF16. Oberflächenanalytik mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) (P4) [nur WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 3, Ultra-Hochvakuum (UHV)-Labor, Raum 217 |
| Gruppe | Prof. Dr. Andreas Stierle X-ray Physics and Nanoscience |
| Betreuer |
Dr. Heshmat Noei |
| Versuchsmappe | INF16. Oberflächenanalytik mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) |
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy), auch bekannt als ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), ist eine der wichtigsten Methoden zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Oberflächen, der Bindungsverhältnisse und der elektronischen Struktur von Grenz- und Oberflächen. XPS wird häufig zusammen mit der Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) eingesetzt, da in beiden Verfahren ein Elektronen Energieanalysator den Hauptbestandteil des jeweiligen Gerätes darstellt. Der Vorteil von XPS gegenüber anderen Oberflächenanalyseverfahren besteht darin, dass sowohl Elementzusammensetzung als auch chemischer Bindungszustand ermittelt werden können. Da jedes Element einen einzigartigen Satz von Elektronen-Bindungsenergien hat, kann XPS zur Identifizierung und Bestimmung der Konzentration von Elementen in der Oberfläche verwendet werden. Ziel dieses Versuches ist es, die prinzipielle Arbeitsweise der XPS und AES kennenzulernen und zu verstehen. Dabei konzentriert sich dieser Versuch auf die chemisch-analytischen Möglichkeiten der Methode anhand der Untersuchung der Oxidation von Rhodium Oberflächen. Der Versuch findet an einem der modernsten Geräte statt, ausgestattet mit einem Elektronenverlustanalysator und einem Delay Line Detektor (s. Abb.).
Röntgenphotoelektronenspektren eines Rh(111) Einkristalls, nach Exposition mit atomaren Sauerstoff für 60 min bei 360 Grad (Surface Science 606 (2012) 1416).
Foto: DESY
INF18. Photolumineszenz von Halbleiter-Quantenpunkten (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Center for Hybrid Nanostructures (CHyN) Raum 133 |
| Gruppe | Prof. Dr. Robert Blick Nano-Bio-Technologie |
| Betreuer |
Dr. Christian Heyn |
| Versuchsmappe | INF18. Photolumineszenz von Halbleiter-Quantenpunkten |
Eine Nanostrukturierung erweitert die Steuerbarkeit der elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien um den kontrollierten Einsatz von Quanteneffekten. Derartige, wohldefinierte Halbleiter-Quantenstrukturen sind sehr interessant für die Grundlagenforschung und für Anwendungen z.B. im Bereich der optischen Quanteninformationstechnologien. Im Versuch werden die Volumen-Halbleiter GaAs und AlGaAs als Ausgangsmaterialien und näherungsweise nulldimensionale GaAs-Quantenpunkte (Quantum Dot, QD) mittels Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht. Dazu werden die Quantenpunkte in einem optischen Spektrometer durch einen Laser beleuchtet und das von den Quantenpunkten emittierte Licht spektral aufgelöst ausgewertet. Im Bild links ist ein Schema zur PL von einem QD und rechts ein PL-Spektrum von einer Probe mit QDs gezeigt. Die gemessenen Spektren werden im Modell eines quantenmechanischen harmonischen Oszillators interpretiert und charakteristische Größen der QDs daraus bestimmt. Weiterhin wird der Einfluss der Leistung des anregenden Lasers auf die Besetzung der Zustände in den QDs sowie der Einfluss der Temperatur auf die Spektren untersucht.
Foto: UHH
INF19. Charakterisierung von Fluorophoren (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Gebäude 99 (CFEL) Luruper Chaussee 149 22761 Hamburg Raum 01.129 |
| Gruppe | Prof. Dr. Michael A. Rübhausen Optik |
| Betreuer |
Dr. Tomke Glier |
| Versuchsmappe | INF19. Charakterisierung von Fluorophoren |
Fluorophore, also Verbindungen, die nach Anregung fluoreszieren können, werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise werden sie verwendet als Pigmente in Leuchtfarben, in Leuchtstofflampen, in Displays und als Fluoreszenzmarker zur Kennzeichnung von Biomolekülen, um diese mit Hilfe von Fluoreszenzspektroskopie zu untersuchen. Damit solche Untersuchungen möglich sind, ist es wichtig, zunächst die Eigenschaften der Fluorophore zu kennen, damit diese entsprechend genutzt werden können.
In diesem Versuch soll eine Vorcharakterisierung zweier Cumarin-Farbstoffe mittels stationärer Spektroskopie durchgeführt werden, wobei Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektren aufgenommen werden (beispielhafte Spektren in der Abbildung links). Mit dem Wissen, bei welcher Wellenlänge die Farbstoffe emittieren, können dann die Lebensdauern der Farbstoffe durch zeitaufgelöste Spektroskopie, hier mittels zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung, bestimmt werden (beispielhaft in der Abbildung rechts: Messergebnis in schwarz mit roter Anpassungsfunktion).
Es sollen die Lebensdauern der Fluorophore einmal aus den reinen Farbstoff-Lösungen ermittelt werden und aus Mischungen dieser Farbstoffe. Des Weiteren werden das Prinzip der Fluoreszenzlöschung und die Anwendung der Stern-Volmer-Gleichung nahegebracht.
Foto: UHH
INF20. Synthesis and characterization of fluorescent silver nanoparticles (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld The Center for Hybrid Nanostructures (CHyN) Luruper Chaussee 149 22607 Hamburg |
| Gruppe | Gruppe Prof. W. Parak Biophotonik |
| Betreuer |
Dr. Florian Schulz |
| Versuchsmappe | INF20. Synthesis and characterization of fluorescent silver nanoparticles |
A laboratory class was developed and evaluated to illustrate the synthesis of metal nanoclusters (NCs) and to explain their photoluminescence properties for the case of silver. The described experiment employs a synthetic protocol that consists of two sequential phases in a single reaction pot: the reduction of silver ions into plasmonic silver nanoparticles (NPs) (bottom-up), followed by etching the formed silver NPs into ultrasmall atomically precise fluorescent silver NCs (top-down), Ag29(DHLA)12 (DHLA: dihydrolipoic acid). UV−vis absorption and fluorescence spectroscopy were employed as a function of reaction time to confirm the development of the plasmonic character of silver NPs (reaction intermediate) and, later on, the onset of fluorescence emission of the silver NCs (final product). Collectively, this experiment was found to be simple to carry out, safe, reproducible, and cost-effective, and it achieved the intended learning outcomes. Participating students found this laboratory class suitable to be implemented into an upper-division undergraduate or graduate curriculum.
Reference: Lin Zhu et al., Journal of Chemical Education 2020 97 (1), 239-243, DOI: 10.1021/acs.jchemed.9b00342
Foto: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.9b00342
HZG1. Röntgen- und Neutronenbeugung (P4) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Institut für Werkstoffphysik Helmholtz-Zentrum Hereon |
| Gruppe | Röntgendiffraktion mit Synchrotronstrahlung (WPD) |
| Betreuer |
Dr. Dieter Lott |
| Versuchsmappe | HZG1. Röntgen- und Neutronenbeugung |
Röntgen- und Neutronenstreuung (an dünnen Schichtsystemen)
Dünne Schichten bestimmen unser Leben, sei es in direkter Weise wie z.B. unsere Haut, die uns nicht nur vor der Umgebung schützt, sondern auch den Austausch mit der selbigen erlaubt oder indirekt als Schutzlack für Autos oder in Form von Halbleiterbauteilen oder magnetischen Sensoren ohne die unsere jetzige Informationsgesellschaft nicht existieren würde. Eine wesentliche Untersuchungsmethode, um solche dünnen Schichten zu charakterisieren, besteht in der Röntgen- bzw. Neutronenbeugung. Mittels dieser können die strukturellen Eigenschaften von dünnen Filmsystemen auf atomarer Skala bestimmt werden und der Zusammenhang zwischen makroskopischen und mikroskopischen Eigenschaften untersucht werden. Im Gegensatz zu den direkt abbildenden Methoden (STM, AFM, TEM etc.) erlaubt diese Methode auch tief verborgende Schichten und Grenzflächen zu untersuchen bzw. größere Bereiche gleichzeitig zu untersuchen, da sie als statistische Methode auch über diese mittelt. Zudem ist die Methode zerstörungsfrei und erlaubt die untersuchten Proben weiter ohne Änderung weiterzuverwenden.
In diesen Versuch wird den Versuchsteilnehmern die Methode der Reflektometrie näher gebracht, in dem einige spezielle dünne Filme an einer Röntgenröhre vermessen und auswertet werden. Der Vergleich zwischen Röntgen- und Neutronenmessungen wird anhand der Auswertung experimenteller Daten diskutiert, die die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methode aufzeigt.
EXP2. Elektronen-Spektroskopie (P4) [nur SoSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld, CFEL (Geb. 99) |
| Gruppe | Prof. Dr. Wilfried Wurth Soft X-ray spectroscopy of clusters, surfaces and interfaces |
| Betreuer |
Matz Nissen |
| Versuchsmappe |
Photoelektonenspektroskopie (PES) ist eine Methode zur nicht-invasiven Untersuchung von Materialien bezüglich ihrer elementaren Zusammensetzung und dem spezifischen chemischen Zustand. Sie gewährt, basierend auf dem Photoeffekt Einblick in die elektronische Struktur von Festkörperproben. Im von uns angebotenen Versuch zur PES liegt die Ausbildung eines technischen Grundverständnisses der Methode im Vordergrund. Die Durchführung des Versuches erfolgt an einem Ultra Hoch Vakuum-Aufbau, ausgestattet mit einem Elektronenanalysator und zwei unterschiedlichen Photonenquellen (Röntgenröhre und Heliumdampflampe). Als Studienobjekt dienen metallene Einkristalle, die aus unserem Bestand frei gewählt werden können. Der Schwerpunkt im Labor liegt auf der experimentellen Durchführung und der Charakterisierung der für die PES notwendigen technischen Apparate, also dem Elektronenanalysator und der Photonenquelle. Für die Auswertung und Aufbereitung der Messergebnisse wird ein Einblick in den Umgang mit der open-source Software „octave“ oder der kostenpflichtigen Software „Matlab“ angeboten.
Kern- und Teilchenphysik (P5)
Kern- und Teilchenphysik (P5)
EXP4. Strangeness und Wirkungsquerschnitt (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 61, Raum 27 |
| Gruppe | |
| Betreuer |
Dr. Dieter Gall |
| Versuchsmappe |
Einleitung
Diese Versuche zur Elementarteilchenphysik stellen einen Ausschnitt aus dem Gesamtablauf eines Experimentes dar. Da die eigentliche experimentelle Durchführung im Rahmen eines Praktikums zeitlich und apparativ nicht möglich ist, werden bereits existierende Messungen analysiert und physikalisch interpretiert. Dabei sollen die Studierenden Methoden kennenlernen, wie sie ähnlich auch in modernen Experimenten der Elementarteilchenphysik verwendet werden. Der Versuch gliedert sich in zwei Teile: Im ersten Teil der Versuchswoche werden Erzeugung und Zerfall von Teilchen mit der Quantenzahl Strangeness untersucht. Im zweiten Teil der Versuchswoche ist entweder ein hadronischer Wirkungsquerschnitt oder der Spin und die Eigenparität des w - Mesons zu bestimmen.
Erzeugung und Zerfall von Teilchen mit Strangeness
Die Strangenessquantenzahl (Seltsamkeit) war der erste neue Freiheitsgrad hadronischer Materie, der experimentell nachgewiesen wurde. Erzeugung und Zerfall von Teilchen mit Strangeness für diesen Versuch wurden mit Blasen- und Streamerkammern registriert. Die (paarweise) Erzeugung von Teilchen mit Strangeness geschieht dabei nicht nur in Proton-Proton Reaktionen, sondern auch durch Stöße von Elektronen, Myonen und Photonen an Protonen. Jede Zweiergruppe erhält eine Aufnahme. Ziel ist es, die Reaktion aufzufinden und möglichst vollständig zu verstehen. Dazu werden die Aufnahmen auf spezielle Messtische projiziert und die Bahnkurven geladener Teilchen mit sog. Radienschablonen und Winkelmessern vermessen und das Ereignis dann kinematisch rekonstruiert. Es soll eine Hypothese für die Gesamtreaktion (Erzeugung und Zerfall) erstellt werden. Dabei sind außer dem Energie- und Impulssatz weitere Erhaltungssätze zu berücksichtigen.
Hadronischer Wirkungsquerschnitt
Zur Bestimmung des Wirkungsquerschnittes liegen Blasenkammeraufnahmen von Proton-Proton Stößen vor. In diesem Versuchsteil soll der Begriff des Wirkungsquerschnittes vertieft werden und exemplarisch der hadronische Wirkungsquerschnitt für pp-Stöße in Abhängigkeit von der Anzahl der beobachteten Spuren im Endzustand bestimmt werden. Die visuelle Inspektion der Blasenkammeraufnahmen bietet die einzigartige Möglichkeit, die Vielfalt der einzelnen Reaktionen eines hadronischen Stoßes kennenzulernen.
Parität des ω Mesons
Zur Bestimmung des Spins und der Eigenparität des ω Mesons liegt ein Datensatz vor, der aus pp Kollisionen gewonnen wurde. Das ω Meson zerfällt durch die starke Wechselwirkung in drei Pionen. Allein auf Grund der beobachteten Zerfallskinematik und der Erhaltungssätze für die starke Wechselwirkung (ohne genaue Kenntnis des Matrixelementes) kann dann auf Spin und Parität geschlossen werden. Dazu werden geeignete statistische Verteilungen (Dalitzplot) mit dem Computer erstellt. Programmierkenntnisse (C++) sind hilfreich, aber nicht notwendig.
Schlußbemerkung
Obwohl heute in der Elementarteilchenphysik optische Registriermethoden selten angewendet werden, erlauben sie im Rahmen einer Praktikumswoche einen unmittelbaren und schnellen Zugang zu grundlegenden Methoden der Datenanalyse und Dateninterpretation. Sie vermitteln einen anschaulichen Eindruck vieler wichtiger Prozesse (Ionisationsenergieverlust, δ-Elektronen, Compton-Effekt, Paarerzeugung).
EXP5. Analyse von Z0-Zerfällen (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Institut für Experimentalphysik Campus Bahrenfeld Geb. 68 |
| Gruppe | Prof. Dr. Peter Schleper Institut für Experimentalphysik Particle Physics & Detector Development |
| Betreuer |
Nathan Prouvost |
| Versuchsmappe |
In diesem Versuch soll ein Einblick in die Arbeitsweise an einem modernen Teilchenphysikexperiment gegeben werden. Es ist kein Aufbau eines Experiments im Labor vorgesehen, sondern es werden bereits aufgezeichnete Daten des OPAL-Detektors am LEP Speicherring verwendet. Diese Elektron-Positron Kollisionsdaten werden zusammen mit Simulationen verwendet, um Eigenschaften des Z0 Bosons zu bestimmen.
Im ersten Versuchsteil werden einzelne Ereignisse mit einem Event-Viewer betrachtet und charakterisiert. Im zweiten Versuchsteil wird eine große Datenmenge verwendet, um Eigenschaften, wie die Masse des Z0 Bosons, quantitativ zu bestimmen. Zu diesem Zweck soll eine Analyse-Software in Python (weiter-)entwickelt werden.
EXP7. Lebensdauer von Myonen (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld, Geb. 64c |
| Gruppe | Prof. Dr. Caren Hagner Neutrinophysik |
| Betreuer |
Dr. Daniel Bick |
| Versuchsmappe |
In diesem Versuch soll die Lebensdauer von Myonen bestimmt werden. Dazu wird eine Anordnung von Szintillationsdetektoren so verschaltet, dass eine Zeitmessung beginnt, wenn ein Myon aus der Höhenstrahlung in dem Aufbau stecken bleibt. Das beim Zerfall des Myons austretende Elektron gibt dann kurze Zeit später das Signal für das Ende der Zeitmessung. Während der Versuchswoche werden u.a. Grundlagen zum Myon und zur schwachen Wechselwirkung, zur kosmischen Strahlung, zur Interaktion geladener Teilchen mit Materie und zum Zerfallsgesetz behandelt. Zu Beginn des Versuchs gibt es ausreichend Zeit, die verwendeten elektronischen NIM-Bauteile anhand von Beispielaufgaben kennenzulernen. Am zweiten Versuchstag sollen dann die verwendeten Photomultiplier sowie die Zeitmesselektronik kalibriert und die Schaltung für die Zeitmessung aufgebaut werden. Die Daten werden von einem Computer aufgezeichnet. Am Ende der Wochen werden die Daten dann mit dem Analyseprogramm root ausgewertet.
Foto: UHH
EXP9. Beschleunigerphysik - SALOME (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 67, GA02 |
| Gruppe | Prof. Dr. Wolfgang Hillert Beschleunigerphysik |
| Betreuer |
Velizar Miltchev |
| Versuchsmappe | EXP9. Beschleunigerphysik - SALOME |
Der Simple Accelerator for Learning Optics and Manipulation of Electrons (SALOME) ist ein kleiner Linearbeschleuniger, der Elektronen mit Energien bis 12 keV erzeugt. Er wurde gebaut, um Studenten eine Möglichkeit zu geben, die Grundlagen der Beschleunigerphysik zu erlernen und praktische Anwendungen direkt an einem Beschleuniger zu gewinnen, wobei ein modernes Kontrollsystem verwendet wird. Aufgrund der geringen Strahlenergie wird kein zusätzlicher Strahlenschutz benötigt, wodurch Messungen und Analysen direkt in dem Labor durchgeführt werden können. Der Aufbau des Beschleunigers erlaubt eine schnelle und beliebige Umgestaltung der magnetooptischen Struktur wodurch SALOME nicht nur ein gutes Ausbildungsinstrument zum Erlernen von Beschleunigerphysik ist, sondern ebenso für selbstständige Experimente benutzt werden kann. Im Rahmen des F-Praktikums wird eine Reihe von Experimenten angeboten, wie z.B. eine Messung der kinetischen Energie des Elektronenstrahls, die Charakterisierung des transversalen Phasenraums und Anpassung des Elektronenorbits so, dass der Strahl durch die Mitte der Quadrupolmagnete verläuft.
Foto: UHH
EXP10. γ-Spektroskopie mit einem hochreinen Germanium-Detektorungsquerschnitt (P5) [nur SoSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 62 |
| Gruppe | Prof. Dr. Caren Hagner Neutrinophysik |
| Betreuer |
Vidhya Thara Hariharan |
| Versuchsmappe | EXP10. γ-Spektroskopie mit einem hochreinen Germanium-Detektor |
Ziel dieses Versuches ist es Radioaktivität in der Umwelt nachzuweisen und ein Gefühl für dessen Vorkommen zu erhalten. Dazu wird die bei Kernreaktionen auftretende charakteristische Gammastrahlung mittels eines Halbleiterdetektors aus hochreinem Germanium nachgewiesen. Zum Kennenlernen der Funktionsweise des Detektors und der Elektronik wird der Detektor mit Gammastrahlen bekannter Energie kalibriert. Mit dem kalibrierten Detektor soll dann das Gamma-Spektrum von 133-Ba aufgenommen werden, um daraus die ersten vier angeregten Niveaus des 133-Cs zu bestimmen. Im zweiten Teil der Messungen werden dann selbst gewählte Umweltproben gemessen, sowie ein Untergrundspektrum aufgenommen. Die beobachteten Gamma-linien sollen mit Hilfe von Literatur den möglichen strahlenden Elementen zugeordnet und die Aktivität der Präparate abgeschätzt werden. Ebenfalls untersucht wird eine Probe von aus der Luft angereicherten Zerfallsprodukten des Edelgases Radons.
EXP11. Der Mößbauereffekt (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld, Haus der Lehre - Light & Schools Raum 0006 |
| Gruppe | Prof. Dr. Erika Garutti Detector Development |
| Betreuer |
Dr. Georg Steinbrueck |
| Versuchsmappe | EXP11. Der Mößbauereffekt |
Der Mößbauereffekt ist die rückstoßfreie Kernresonanzabsorption von Gammastrahlung durch Atomkerne, die sich in einem Festkörper befinden. Die dabei auftretenden extrem scharfen Linienbreiten der gamma-Übergänge in Kernen von der Grössenordnung Gamma/E = 10^-9 ermöglichen eine sehr empfindliche Messmethode, um die Hyperfeinstruktur von Kernen zu vermessen. Ziel dieses Versuchs an der Schnittstelle von Kern-und Festkörperphysik ist es, den Effekt kennenzulernen, für den Rudolf Mößbauer 1961 den Nobelpreis für Physik erhalten hat, und die Hyperfeinwechselwirkung im Eisen-57 mit extremer Präzision zu vermessen. Dabei kommt eine genial-einfache Messmethode ins Spiel.
EXP12. Nachweiseigenschaften von Driftkammern (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 62 |
| Gruppe | Prof. Dr. Caren Hagner Neutrinophysik |
| Betreuer |
Rosmarie Wirth |
| Versuchsmappe | EXP12. Nachweiseigenschaften von Driftkammern |
Driftkammern werden in vielen Experimenten der Teilchenphysik eingesetzt, um die Flugbahn hochenergetischer, geladener Teilchen mit hoher Präzision zu vermessen. Der in diesem Versuch verwendete Aufbau besteht aus einer mit Driftgas gefüllten Aluminiumröhre und einem in der Mitte gespannten Draht, an dem eine Hochspannung angelegt wird. Wenn geladene Teilchen oder Photonen die Kammer durchqueren, ionisieren sie das Driftgas und die entstehenden Elektronen wandern zum Draht, auf dem ein elektrisches Signal erzeugt wird. In diesem Praktikumsversuch werden die grundlegenden Eigenschaften einer Driftkammer untersucht, z.B. hinsichtlich der Unterschiede der Ionisation durch Myonen, Beta- und Gammastrahlung. Wichtige Kenngrößen wie die Nachweiswahrscheinlichkeit, die Driftzeit-Ort-Beziehung und die Gasverstärkung werden vermessen, wofür logische Schaltungen aufgebaut werden. Außerdem wird der Umgang mit digitalen Oszilloskopen und die Kalibration von Vielkanalanalysatoren vermittelt.
Abb.: Links ist die in diesem Praktikumsversuch verwendete Driftröhre und eine Sr-90 Quelle (Beta-Strahler) zu sehen. Das von der Beta-Strahlung erzeugte Signal in der Driftröhre ist rechts dargestellt.
Foto: UHH
EXP15. Datenerfassung mit LabVIEW (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse |
Campus Bahrenfeld |
| Gruppe | |
| Betreuer |
Prof. Robert Johnson |
| Versuchsmappe | EXP15. Datenerfassung mit LabVIEW |
In diesem Praktikum werden mit Hilfe der Labview Programmiersprache Computer für Labormesstechnik und Automatisierungsanwendungen genutzt. Praktische Erfahrung mit Datenerfassungssystemen und LabVIEW wird durch Laborübungen gewonnen. Mit den so gewonnenen Fähigkeiten wird ein eigenes Projekt umgesetzt. Seit seiner Einführung 1986 ist Labview zu einem internationalen Industriestandard für wissenschaftliche Forschung und industrielle Automatisierungsanwendungen geworden. Die Studenten werden eine eigene DAQ Software entwickeln und damit verschiedene Kennkurven analoger und digitaler elektronischer Bausteine wie Operationsverstärker und Dioden erstellen. Die so erlernten Fähigkeiten werden dann in einem eigenen Projekt mit vielen Freiheiten bei der Gestaltung angewendet. Vorwissen ist nicht erforderlich doch eine allgemeine Kenntnis einer Programmiersprache und grundsätzliches Verständnis elektronischer Bauteile ist von Vorteil.
EXP18. Top-Quarck-Paare am LHC (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Institut für Experimentalphysik Campus Bahrenfeld Gebäude 68 |
| Gruppe | Prof. Dr. Johannes Haller Particle Physics & Detector Development |
| Betreuer |
Alexander Paasch
|
| Versuchsmappe | EXP18. Top-Quark-Paare am LHC |
Es ist das Ziel der Elementarteilchenphysik, die elementaren Bausteine der Natur sowie die fundamentalen Gesetze ihrer Wechselwirkung zu entdecken und zu untersuchen. Man glaubt heute, dass die uns bekannte Materie aus einigen wenigen Sorten von Teilchen zusammengesetzt ist, zwischen denen als elementar angesehene Kräfte herrschen. Um in diese Welt der kleinsten Strukturen einzudringen, werden hohe Teilchenenergien benötigt. Der zur Zeit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger den die Menschheit je gebaut hat, ist der LHC. Hier werden Protonen zur Kollision gebracht, um die Eigenschaften der elementaren Teilchen genau zu studieren oder völlig neue Teilchen zu entdecken. Am LHC stehen dafür bislang unerreichte Energien zur Verfügung, was nie gekannte Präzision bei der Vermessung des massereichsten bekannten Teilchens, des Top-Quarks, ermöglicht.
Sie werden bei diesem Versuch eine Messung mit realen Daten, die bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV vom CMS Detektor aufgenommen wurden, durchführen. Sie sollen selbstständig den Produktionswirkungsquerschnitt von Top-Quark-Paaren ermitteln und auch die Top-Quark-Masse rekonstruieren. Dabei wenden Sie aktuelle Methoden der experimentellen Teilchenphysik an und lernen die gründliche Behandlung von statistischen und systematischen Unsicherheiten. Am Ende können sie Ihr Ergebnis mit offiziell am LHC gemessenen Werten vergleichen!
Foto: UHH
EXP19. A simple dark-matter dectector with high-end acquisition system (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Institut für Experimentalphysik Campus Bahrenfeld Gebäude 68 |
| Gruppe | Prof. Dr. Dieter Horns Astroteilchenphysik |
| Betreuer |
Dr. Le Hoang Nguyen |
| Versuchsmappe | EXP19. A simple dark-matter dectector with high-end acquisition system |
The students will have a direct hand-on development on the in-house built acquisition system reinforced by a commercial GPU which possess a significant upgrade in the speed of the Fast Fourier Transform, returning broadband and high-resolution spectrum. The students are required to have a careful preparation on the theoretical background of the experiment and component structure of the experiment. In the development of the data taking, the students will have to operate each device and extract the interested quantities. By uniting all the components together, the experiment is ready for data-taking, the 10-hours of data is expected to be obtained, further analyzing on the single instantaneous spectra and averaged spectrum is carried out by the student.
The language of the course is English (Prof. Horns can also provide instruction in German). The report can be written in either German or English.
Foto: UHH
HS1. Radioastronomie (P5) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg 112 D-21029 Hamburg |
| Gruppe | Prof. Marcus Brüggen Extragalactic Astrophysics |
| Betreuer |
Dr. Volker Heesen
|
| Versuchsmappe | HS1. Radioastronomie |
Im Regelfall wird der Versuch auf Englisch durchgeführt, auch die Sprache für das Protokoll ist Englisch.
Vermittlung der Grundlagen der Radioastronomie und Anwendung in der Spektroskopie (21cm-Linie).
Die Hamburger Sternwarte betreibt ein kleines Radioteleskop (KRT3) vornehmlich für Lehrzwecke. Das Teleskop ist eine Einzelantenne mit einem Durchmesser von 3.0 Metern. Es ist mit einem Empfänger ausgerüstet, welcher für den Empfang der 21cm-Linienstrahlung (ca. 1420.4 MHz) des interstellaren Wasserstoffs ausgelegt ist. Mit Hilfe des Instruments können die grundlegenden radioastronomischen Beobachtungsmethoden mit Einzelantennen nachvollzogen werden. Die Messung der 21cm-Linie entlang der galaktischen Ebene erlaubt die Messung der Geschwindigkeiten des Gases an verschiedenen Punkten der Milchstrassen-Scheibe. Mit ihrer Hilfe lässt sich eine grobe Abschätzung der Masse der Galaxis durchführen.
Foto: UHH
Atom- Molekül- und Laserphysik (P6)
Atom-, Molekül- und Laserphysik (P6)
ILP1. Optische Fouriertransformation (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 69 (Institut für Laserphysik) |
| Gruppe | Prof. Dr. Roman Schnabel Non-linear Quantum optics |
| Betreuer |
Dr. Mikhail Korobko |
| Versuchsmappe | ILP1. Optische Fouriertransformation |
Der Versuch wird auf englisch durchgeführt!
Die Fouriertransformation ist eine mathematische Rechenanweisung um einen Wechsel zwischen verschiedenen Darstellungsräumen zu ermöglichen. Die Fouriertransformation wird z.B. in der Akustik und Elektrotechnik verwendet, um Schwingungen vom Zeit- in den Frequenzraum zu transformieren. Hier werden z.B. Radiowellen in Frequenzen zerlegt und ein Frequenzfilter im Radio erlaubt es, bestimmte Programme auszuwählen. Dabei ist das Prinzip der Fouriertransformation den meisten Menschen intuitiv klar. Jeder Nutzer eines Radios wählt eine Frequenz für ein bestimmtes Programm und keine zeitliche Wellenfunktion.
Bei der Datenanalyse von gemessen Zeitreihen findet die Fouriertransformation Anwendung, da das Spektrum mitunter viel Aufschluss über die Daten geben kann.
In der Festkörperphysik und in der Quantenmechanik wird die Fouriertransformation angewendet, um vom Orts- in den Impulsraum und umgekehrt zu wechseln. Die Betrachtung des einen oder anderen Raumes kann hier je nach Problemstellung die Rechnungen vereinfachen und komplexe Probleme verständlicher machen.
Besondere Bedeutung haben Fourier-limitierte Verteilungen. Beispielsweise ist ein Laserpuls Fourier-limitiert, wenn man sowohl seine zeitliche wie auch spektrale Intensitätsverteilung gemessen hat und dann zeigen kann, dass die eine die Fourier-Transformierte der anderen ist. Dann ist das Produkt der Verteilungen minimal. Ein beugungslimitierter Laserstrahl hat bei gegebenem Radius des Fokus eine minimale Divergenz. In der Quantenphysik ergeben sich aus Fourier-limitierten Verteilungen Zustände minimaler Heisenberg’scher Unschärfe.
Das mathematische Hilfsmittel der Fouriertransformation ist meist nicht anschaulich. Mithilfe von Linsen lässt sich die eher weniger anschauliche Fouriertransformation in einem Experiment direkt beobachten und hilft somit bei der Veranschaulichung der abstrakten mathematischen Beziehungen.
In den Grundlagen zu diesem Versuch werden die Definition und Eigenschaften der Fouriertransformation behandelt. Experimentell werden die Beugungsstrukturen verschiedener Objekte (Strichgitter, Kreuzgitter, Ring, etc.) mit einer Digitalkamera aufgenommen und anschließend interpretiert.
In einem weiteren Versuchsabschnitt werden verschiedene Filterverfahren (Tiefpass, Bandpass, Schneide) zur Beeinflussung eines Objektbildes untersucht. Es wird ein Hochpassfilter für die Auflösung eines Fingerabdruckes verwendet.
Foto: UHH
ILP4. Nd-YAG-Laser (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 69 (Institut für Laserphysik), Raum 008 |
| Gruppe | Prof. Dr. Klaus Sengstock Quantum Gases Group |
| Betreuer |
Marcel Kosch Luca Asteria Dr. Christof Weitenberg |
| Versuchsmappe | ILP4. Nd-YAG-Laser |
Einer der bekanntesten und weit verbreitetsten Festkörperlaser ist der mit dreiwertigen Neodym-Ionen dotierte Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) Laser, der u. A. in Forschung, Medizin und Materialbearbeitung Anwendung findet. Wir wollen in diesem Praktikumsversuch einen solchen Laser in verschiedenen Konfigurationen aufbauen, betreiben und die typischen Lasermerkmale charakterisieren.
Zunächst wird der Laserbetrieb dabei im kontinuierlichen Dauerstrichmodus in verschiedenen Resonatorgeometrien realisiert. Das emittierte Laserlicht der Wellenlänge 1064 nm ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Daher wollen wir in einem weiteren Schritt den Laser passiv güteschalten (Q-Switching) und so kurze Laserpulse erzeugen, deren hohe Spitzenleistungen das Regime der nichtlinearen Optik eröffnen und eine Frequenzverdopplung in den sichtbaren Spektralbereich erlauben. Diese Technik wird auch in grün-emittierenden Laserpointern angewendet.
Foto: UHH
ILP5. Moderne Methoden der Laserspektroskopie (P6) [nur SoSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 69 (Institut für Laserphysik) |
| Gruppe | Prof. Dr. Andreas Hemmerich Atom Optics Group |
| Betreuer |
Dr. José Vargas |
| Versuchsmappe | ILP5. Moderne Methoden der Laserspektroskopie |
Since their advent in the 1960’s lasers have revolutionized the field of optics, and more recently, the branches of solid-state and statistical physics. Lasers are for instance used as probes to discover the secrets hidden in atomic and subatomic particles, and as tools for trapping and cooling atoms. One of the aims of this project is to give you a feel for working in a laser optics/atom optics laboratory. The main part of this experiment is to setup a spectroscopy on the D2 line of rubidium in a vapor cell at room temperature, and with it, to
1. probe the Doppler broadened linewidth.
2. resolve the hyperfine structure of the rubidium D2 line using a saturated absorption setup to overcome the limitations caused by the Doppler effect.
3. observe the effects of power broadening on the natural linewidth.
This course will deepen basic techniques and topics essential to understand the concepts in modern spectroscopy.
Foto: UHH
ILP6. Magnetooptische Fallen für Atome (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 69 (Institut für Laserphysik), Raum 007 |
| Gruppe | Prof. Dr. Klaus Sengstock Quantum Gases Group |
| Betreuer |
Dr. Juliette Simonet Jette Heyer Julian Fiedler Alexander Ilin |
| Versuchsmappe | ILP6. Magnetooptische Fallen für Atome |
This experiment demonstrates Nobel Prize awarded technique of laser cooling on Rubidium atoms. Laser cooling and trapping of atoms is widely used in experiments on quantum optics with a large variety of applications ranging from the detection of isotopes generated in nuclear testing to a new definition of time by optical clocks. Furthermore, this technology is an indispensable tool to realize degenerate quantum gases. Participants will get acquainted with physical concepts of laser cooling and trapping, as well as the experimental techniques for adjustment and optimization and finally data acquisition and evaluation – similar to experiments performed in the quantum optics laboratories. For this purpose, a magneto-optical trap of 85Rb will be put into operation and absorption and fluorescence measurements of the atom cloud will be performed. As an essential part of experimental work with (ultra) cold atomic ensembles, the acquired data will be evaluated in order to extract physical properties such as particle number and temperature. A tour of an ultra cold atom laboratory can complement the experience.
Foto: UHH
ILP8. Interferometrsiche Messung der thermischen Bewegung einer Membran auf Pikometer-SkalaOptische Fouriertransformation (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 69 (Institut für Laserphysik) |
| Gruppe | Prof. Dr. Roman Schnabel Non-linear Quantum optics |
| Betreuer |
Pascal Gewecke Jan Petermann |
| Versuchsmappe | ILP8. Interferometrische Messung der thermischen Bewegung einer Membran auf Pikometer-Skala |
Mit Hilfe von Laser-Interferometern lassen sich Bewegungen auf kleinster Ebene präzise vermessen. Eine verbesserte Version eines Michelson-Interferometers wird in den Gravitationswellendetektoren GEO600 und LIGO verwendet, womit am 14. September 2015 erstmals eine Gravitationswelle direkt detektiert werden konnte.
Ziel dieses Praktikums ist die Messung der Bewegung einer 50nm dicken, quadratischen Silizium-Nitrid-Membran mit einer Fläche von 1mm2 unter Vakuum-Bedingungen. Hierfür soll ein Michelson-Interferometer aufgebaut werden, bei dem ein Endspiegel durch die Membran ersetzt wird. Die durch die Brownsche Bewegung des Hintergrundgases hervorgerufene Schwingung der Membran ändert die Phase des reflektierten Lichts und wird über das Interferometer in eine Leistungsänderung überführt, welche mit einer Photodiode ausgelesen werden kann. Dabei soll der Gütefaktor einer Membran-Mode bei unterschiedlichem Druck sowie das Frequenzspektrum der verschiedenen Membran-Moden gemessen werden.
Die Studenten lernen in diesem Versuch den Umgang mit einem Vakuumsystem sowie den Aufbau eines optomechanischen Systems. Außerdem soll der Umgang mit einem Spektrumanalysator und einem elektronischen Feedback-Regelkreis vermittelt werden.
Foto: UHH
ILP9. Einzel-Photon-Quellen (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 90 (Zentrum für Optische Quantentechnologien), Labor |
| Gruppe | Prof. Dr. Klaus Sengstock Quantum Gases Group |
| Betreuer |
Koen Sponselee Tobias Petersen (ZOQ) Dr. Christoph Becker |
| Versuchsmappe | ILP9. Einzel-Photon-Quellen |
Die moderne, quantenmechanische Beschreibung von Licht basiert auf der Physik einzelner quantisierter Photonen. Aus den in diesem Bild intuitiv zugänglichen Zuständen definierter Photonenzahl lassen sich sämtliche klassischen und nicht-klassischen Lichtzustände konstruieren. Einzelne paarweise verschränkte Photonen sind darüber hinaus ein hochaktuelles Forschungsgebiet, welches insbesondere im Zusammenhang mit relevanten weltweit expandierenden zukünftigen Schlüsseltechnologien wie z. B. der Quantenkommunikation enormes Interesse erfährt. In diesem Versuch beschäftigen Sie sich mit Methoden zur Erzeugung einzelner verschränkter Photonen sowie mit unterschiedlichen fundamentalen Experimenten zur Charakterisierung dieser nicht-klassischen Lichtzustände. Im Speziellen untersuchen Sie die Interferenzfähigkeit einzelner Photonen sowie das sogenannte Anti-Bunching. In diesem Kontext lernen Sie anhand eines kompakten quantenoptischen Aufbaus Grundlegendes zu Korrelationsfunktionen, Lichtzuständen und Elementen der nicht-linearen Optik wie Frequenzverdopplung und Parametrische Fluoreszenz. Darüber hinaus beschäftigen Sie sich mit ultraschneller state-of-the-art Einzelphotonenzählelektronik und statistischen Datenauswertemethoden.
INF21. FITR-Spektroskopie (P6) [nur SoSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld HARBOR (Geb. 610) |
| Gruppe | Prof. N. Huse Condensed Phase Dynamics |
| Betreuer |
Jessica Harich |
| Versuchsmappe | INF21. FITR-Spektroskopie |
During this practical training an insight into Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy should be gained. Infrared spectroscopy uses transmissive or reflective techniques to qualitatively and quantitatively analyze the molecules present in the sample. A broad variety of samples in different states (gaseous, liquid, powdered, fibrous, …) can be measured. Since most matter will have characteristic excitation spectra in the infrared, IR-spectra are chemically very sensitive, making FTIR spectroscopy an important analytical technique. Different kinds of samples (e.g. gases, liquids, solids) will be measured to show the versatility of this type of spectroscopy and the different influences on the spectral features which can be distinguished by their spectral lineshapes. Of mathematical importance is of course the usage of Fourier transforms to retrieve sample spectra from the measured interferograms. Hands-on experience with the analysis of interferograms and interpretation of the spectral shapes observed should provide an understanding of the basic principles and examples of applications of Fourier transform spectroscopy in molecular and materials research.
Left: Structure of Graphene [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Graphen.jpg]. Right: Schematic of an FTIR-Spectrometer used to measure an interferogram from which Fourier transform yields the spectrum. [J. Workman: The concise handbook of analytical spectroscopy: theory, applications, and reference materials, p. World Scientific Publishing, Singapore, 2016.
EXP14. Holographie (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Campus Bahrenfeld Haus der Lehre - Light & Schools Raum 0007 & 0008 |
| Gruppe | Prof. Dr. Markus Drescher Dynamix |
| Betreuer |
Dr. Marek Wieland |
| Versuchsmappe | EXP14. Holographie |
Der Versuch Holografie beschäftigt sich mit der Herstellung verschiedener Hologrammtypen. Mit relativ einfachen optischen Aufbauten werden eindrucksvolle Hologramme innerhalb der Versuchswoche selbst hergestellt.
Ziel des Versuches ist, die während der Vorbereitung erarbeiteten Grundlagen in der Praxis umzusetzen. Experimentieren und Ausprobieren sind dabei ein zentraler Bestandteil, da die Qualität der erstellten Hologramme meist mit zunehmender Erfahrung steigt. Dementsprechend werden alle Teilexperimente des Praktikumsversuchs selbstständig von Grund auf selber aufgebaut und zur Funktionsfähigkeit gebracht. Dazu stehen eine Reihe moderner optischer und opto-mechanischer Komponenten zur Verfügung, wie sie auch im Laboralltag eines Optik- oder Laserlabors Verwendung finden. Neben dem Aufbau und der Justierung der einzelnen Versuche beinhaltet das Praktikum auch die Entwicklung der belichteten Holografie-Filme nach einem der SW-Film-Entwicklung ähnlichen Verfahren und bietet somit auch einen Einblick in diese Technik.
Für ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Phänomene werden zu Beginn des Versuchs einige vorbereitende Experimente durchgeführt, auf die die Holografie bzw. die dazu benutzten optischen Elemente direkt aufbauen. Dies beinhaltet u.a. die Untersuchung der Funktion eines sog. Raumfrequenzfilters und den Aufbau eines klassischen Interferometers mit anschließender Vermessung der longitudinalen Kohärenz der verwendeten Laserstrahlung.
Der Versuch streift viele Teilbereiche der Optik, so dass die physikalischen Grundlagen im Wesentlichen aus diesem Bereich der Physik kommen. Insbesondere sind Kenntnisse zu
1. geometrischer Optik,
2. Wellenoptik/Fourieroptik,
3. Kohärenz und
4. Lasern
erforderlich. Daher ist der Inhalt der Vorlesung Physik VI wichtiger Bestandteil der Vorbereitung.
Foto: UHH
EXP21. Femtosecond X-ray Experiments (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | |
| Gruppe | Prof. Dr. Christian Bressler Femtosekunden Röntgenexperimente |
| Betreuer |
Prof. Dr. Christian Bressler |
| Versuchsmappe | EXP21. Femtosecond X-ray Experiments EXP21. Femtosecond X-ray Experiments (English) |
Dieses neuartige Experiment gibt eine detaillierte Einführung in die Funktionsweise von sehr komplexen Geräten in modernen Großforschungsanlagen. Es gibt genug Zeit, sich mit der genauen Wirkungsweise der vielen unterschiedlichen Komponenten zu beschäftigen. Ein Experiment wird aufgebaut und durchgeführt, sowie Daten aufgenommen, die ausgewertet und interpretiert werden. Die einzelnen Arbeitsschritte bis zur finalen Interpretation entsprechen ziemlich genau denen, die ein Forscher nach bewilligtem Messzeitantrag an einem Röntgenlaser unternehmen würde.
Röntgenabsorptionsspektroskopie, Röntgenemissionsspektroskopie und Röntgenstreuung kommen an Synchrotron und Freien Elektronen Lasern als Methoden zur Untersuchung von Oxidations- und Spinzuständen, sowie Symmetrie und struktureller Anordnung der Atome innerhalb des Moleküls zum Einsatz. In Kombination mit einem zusätzlichen Femtosekunden Pump Laserstrahl, der im Takt mit den Röntgenpulsen Lichtblitze im sichtbaren und ultravioletten Bereich zur Probenanregung liefert, gewähren diese Techniken Einblick in die zeitliche Veränderung dieser Größen während chemischer Reaktionen.
Im angebotenen Fortgeschrittenenpraktikumsversuch zu diesen Methoden am virtuellen Femtosecond X-Ray Experiments (FXE) Instrument des European XFEL liegt die Ausbildung des technischen Grundverständnisses der Methoden im Vordergrund. Im Rahmen dieses virtuellen F-Praktikums werden alle notwendigen Schritte am vollständig simulierten Instrument durchgeführt, um die Messbedingungen (Laser-Anregungswellenlänge, Intensität, Proben-Konzentration, Röntgenintensität, Röntgenfokus, und noch mehr) einzustellen und entsprechende Daten mit einer Signalqualität zu extrahieren, die unter anderem von den eingestellten Experimentierparametern abhängt.
Dieses Experiment ist noch in der Entwicklungsphase, und soll erstmals einen tiefen Einblick in die Funktionsweise und Durchführung von Experimenten an Großforschungsanlagen vermitteln. Interessierte Studenten sind willkommen, und haben des Weiteren die Möglichkeit, die weitere Optimierung dieses F-Praktikums mit uns zu gestalten.
Animation: XFEL
Dieses virtuelle Experiment wird erstellt in Kollaboration mit
Wir danken der Joachim Herz Stiftung für die Förderung dieses Projekts
EXP22. Generation of ultrashort and ultrabroadband UV light pulses in gas-filled glass cells (P6) [SoSe und WiSe]
| Adresse | Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) |
| Gruppe | Prof. Dr. Francesca Calegari Attosecond Science Group |
| Betreuer |
Dr. Vincent Wanie Josina Hahne |
| Versuchsmappe | EXP22. Generation of ultrashort and ultrabroadband UV light pulses in gas-filled glass cells |
The region of the electromagnetic spectrum between 200-400 nm defines ultraviolet (UV) radiation that is subdivided in three categories: UV-A (315 to 400 nm), UV-B (280-315) and UV-C (200-280 nm). Emitted by the sun, UV light is known to trigger several processes in our environment: it plays an important role in atmospheric chemistry because it is sufficiently energetic to damage the ozone layer through photolysis and it is also known to induce damage to our own DNA. Therefore, investigating the interaction between light and matter is important in order to ultimately manipulate the outcome of UV-induced phenomena.
The CFEL-ATTO group at DESY is specialised in the study of the ultrafast dynamics taking place in molecules following photoexcitation, from few-femtosecond (1 fs = 1×10−15 s) down to the attosecond domain (1 as = 1×10−18 s). Ultrashort UV pulses are necessary to provide sufficient time resolution for capturing these ultrafast dynamics in real-time.
The aim of this experiment is to produce ultrashort, i.e. few-femtosecond, UV pulses and proceed with an optimization with respect to pulse energy and spectral width.
Foto: UHH
Kurzversuche
Kurzversuche
KV1. IR-Photometrie
| Adresse | Hamburger Sternwarte Laborgebäude, Raum 22 |
| Gruppe | Prof. Dr. Jochen Liske Observational Astronomy |
| Betreuer |
Dr. Volker Heesen |
| Versuchsmappe | KV1. IR-Photometrie |
Ziel des Experiments ist die Bestimmung der Temperatur eines Festkörpers mittels des Planck'schen Strahlungsgesetzes. Dazu werden im ersten Schritt mittels einer Eichmessung die instrumentellen Einflüsse bestimmt, im zweiten Schritt werden die eigentlichen Messungen durchgeführt. Im dritten Schritt werden die bei bestimmten Wellenlängen durchgeführten Messungen an eine Planckkurve angepasst und mit Hilfe der Chi-Quadrat-Statistik die Temperatur der Strahlungsquelle bestimmt. Diese Anpassung stellt ein nicht-lineares Anpassungsproblem dar, zu dessen Lösung die Studenten die Grundlagen einer höheren Programmiersprache erlernen müssen. Diese Art der "Messung" ist grundlegend nicht nur in der Astrophysik und verschafft so den Studenten wertvolle Kenntnisse in der Datenauswertung.
KV2. Detektion und Anwendung von Röntgenstrahlung
| Adresse | Campus Bahrenfeld, Haus der Lehre - Light & Schools Raum 0005 |
| Gruppe | Prof. Dr. Erika Garutti Detector Development |
| Betreuer |
Dr. Massimiliano Antonello |
| Versuchsmappe | KV2. Detektion und Anwendung von Röntgenstrahlung |
Der Versuch wird auf englisch durchgeführt, das Protokoll wird in englischer Sprache angefertigt.
Ziel des Versuches ist es, die Entstehung von Röntgenstrahlung, ihre charakteristischen Eigenschaften und Möglichkeiten der Detektion kennenzulernen. Für eine energiedispersive Messung der Strahlung wird ein Silizium-Detektor verwendet, der in ähnlicher Form auch bei Hochenergiephysik-Experimenten zur Teilchendetektion Verwendung findet. Die Studenten verwenden ein ähnliches Verfahren zur Kalibrierung und Charakterisierung des Detektors wie sie z.B. auch an der Uni Hamburg für das CMS-Experiment am LHC Verwendung findet. Der Versuch gibt somit einen direkten Einblick in die Arbeit eines Teilchenphysikers im Detektorbereich. Nach der Energiekalibrierung des Detektors, für die ein eigenes kleines Programm geschrieben werden soll, wird die K-Kante von Kupfer vermessen und unbekannte Materialien sollen über charakteristische Röntgenfluoreszenz identifiziert werden.
Foto: UHH
KV3. Kalibrierung eines Rastertunnelmikroskops
| Adresse | Jungiusstraße 9a, Raum 102 |
| Gruppe | Prof. Dr. Roland Wiesendanger Nanoscience |
| Betreuer |
Sommersemester: Wintersemester: |
| Versuchsmappe | KV3. Kalibrierung eines Rastertunnelmikroskops |
In diesem Experiment lernen Sie die grundlegende Funktionsweise und Handhabung eines Rastertunnelmikroskops kennen. In der Rastertunnelmikroskopie rastert eine metallische Spitze über einer zu untersuchenden Probenoberfläche, wobei sich Spitze und Probe in einem elektrischen Tunnelkontakt befinden. Eine angelegte Spannung resultiert in einem Tunnelstrom, der sehr stark vom Abstand zwischen Spitze und Probe abhängt. Um eine hohe Auflösung von wenigen Pikometern (10-12 m) zu erreichen, bedarf es daher einer sehr genauen lateralen und vertikalen Positionierung der Tunnelspitze über der Probenoberfläche. Dieses Problem wird mit keramischen Piezo-Stellelementen gelöst, die sich je nach der an ihnen angelegten Spannung sehr kontrolliert verformen lassen. Die Kalibrierung des Messaufbaus in einem Experiment ist unbedingt notwendig, um physikalische Größen quantifizieren zu können. Im Verlaufe dieses Kurzversuchs nehmen Sie zunächst atomar aufgelöste Bilder einer frisch präparierten HOPG-Oberfläche auf. Die beobachtete Gitterstruktur analysieren und diskutieren Sie dann mittels Linien-Profilen und 2D-Fourier-Transformationen, bevor Sie durch einen Vergleich der gefundenen Gitterparameter mit Literaturwerten eine Kalibrierung des Rastertunnelmikroskops bzgl. der Auslenkung der Spitze in Funktion der an den Stellelementen angelegten Spannung vornehmen.
Foto: UHH
KV4. Zählen einzelner Photonen mit einem Silicon Photomultplier (SiPM)
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 67b |
| Gruppe | Prof. Dr. Erika Garutti Detector Development |
| Betreuer |
Dr. Joern Schwandt |
| Versuchsmappe | KV4. Zählen einzelner Photonen mit einem Silicon Photomultiplier |
Silizium Photomultiplier (SiPM) sind neuartige Photo-Detektoren, die sensitiv gegenüber einzelner Photonen sind. Sie bestehen aus einer Vielzahl von parallel geschalteten Single Photon Avalanche-Dioden (SPADs) (bis zu ~10^3/mm^2), bei denen einzelne Photonen einen Lawineneffekt auslösen und mehrere Mio. Ladungsträger erzeugen und somit als elektrische Impulse registriert werden können. Die Anwendungen reichen von Kalorimetern in der Hochenergiephysik bis hin zu medizinischen Detektoren, z.B. in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). In diesem Versuch wird die Funktionsweise dieser Sensoren kennengelernt und einige Kenngrößen vermessen, wie z.B. Verstärkung, Dunkelstrom und optisches Übersprechen. Dazu werden die statistischen Eigenschaften der von einer LED emittierten Lichtpulse sowie des Detektionsprozesses ausgenutzt.
Foto: UHH
KV5. Bildbearbeitung und präzise Datenauswertung in der Rasterkraftmikroskopie
| Adresse | Jungiusstraße 9a, Raum 103 |
| Gruppe | Prof. Dr. Roland Wiesendanger Nanoscience |
| Betreuer |
Dr. Kirsten von Bergmann Dr. Alexander Schwarz |
| Versuchsmappe | KV5. Bildbearbeitung und präzise Datenauswertung in der Rasterkraftmikroskopie |
Ein Rasterkraftmikroskop soll genutzt werden, um eine periodische Struktur abzubilden und die Gitterparameter (xy-Periodizität und z-Höhen) mit unterschiedlichen Verfahren
(Linienprofile, Histogramme, Fourier-Transformation) unter möglichst genauer Angabe der systematische und statistische Fehler zu extrahieren.
KV6. Fourier-Transform-Spektroskopie
| Adresse | Campus Bahrenfeld, Haus der Lehre - Light & Schools Raum 0006 |
| Gruppe | Prof. Dr. Markus Drescher Dynamix |
| Betreuer |
Marek Wieland |
| Versuchsmappe | KV6. Fourier-Transform-Spektroskopie |
Die Fourier-Transform-Spektroskopie ist eine im infraroten und ferninfraroten Spektralbereich weit verbreitete Methode zur spektralen Analyse. Es handelt sich um eine indirekte Methode, da nicht direkt das Spektrum sondern mit Hilfe eines Interferometers die zeitliche Kohärenzfunktion (oder auch Kontrastfunktion) vermessen wird. Diese enthält die Information über die spektrale Zusammensetzung der Strahlung, die über eine Fouriertransformation berechnet werden kann.
Der Versuch soll einen Einblick in das universelle Konzept der Fourier-Spektroskopie geben und wird unter Verwendung von Licht im sichtbaren Spektralbereich durchgeführt. Der Messaufbau muss in Teilen aufgebaut und für die Messung einjustiert werden. Im Anschluss an die Messungen wird eine Auswerteroutine programmiert, die die Fouriertransformation der Daten und damit das Spektrum liefert. Außer der Vermessung der spektralen Zusammensetzung der Lichtquelle können so auch Absorptionsspektren verschiedener Proben aufgenommen werden.
Foto: UHH
KV8. Elektronische Steuerung mit Python unter Linux
| Adresse | Campus Bahrenfeld Geb. 61, Raum 20 |
| Gruppe | |
| Betreuer |
Prof. Robert Johnson |
| Versuchsmappe | KV8. Elektronische Steuerung mit Python unter Linux |
Ziel des Versuches ist es, die Möglichkeiten des Raspberry Pi kennen zu lernen, die eigenen Python-Kenntnisse zu trainieren und einige Anwendungsmöglichkeiten des Raspberry Pi zu realisieren.
Der Raspberry Pi ist als vollwertiger Bürocomputer ausgestattet mit Tastatur, Maus, Bildschirm und Internetzugang vielseitig einsetzbar. Er läuft unter Linux und ist Multitasking-fähig mit vier Prozessorkernen, d.h. dass unterschiedliche Anwendungen parallel zueinander ohne bemerkbaren Geschwindigkeitsverlust genutzt werden können. Außerdem bietet der Raspberry Pi viele freie zugängliche Anschlüsse (GPIO sowie auch USB-Anschlüsse) und ist damit auch für elektronische Entwicklung (hierbei wird Python genutzt) geeignet. Das Anwendungsgebiet des Raspberry Pi ist weitreichend. So kann er für kleine eigene Elektronik-Experimente wie z.B. der Aufnahme und Visualisierung einer Messreihe mit einem Temperatursensor dienen.
Die Idee ist, dass im Praktikum die Grundlagen des Raspberry Pi erlernt und erste kleine Projekte realisiert werden. Zuerst sollen erste Erfahrungen anhand einer Experimentierplatine mit USB/Seriell-Wandler und anschließend mit dem Raspberry Pi gesammelt werden. Das Schöne ist, dass man die Projekte nach Interesse wählen kann und so eigene Schwerpunkte setzen kann.
Foto: UHH
Lehramt
Lehramt
LA1. Optische Pinzette im Schullabor
| Anforderungen | Lehramtsstudium |
| Gruppe |
AG Sengstock |
| Adresse | Haus der Lehre - Light & Schools Luruper Chaussee 149, Gb. 60, Raum 14 22761 Hamburg E-Mail: lschools@physnet.uni-hamburg.de |
| Betreuer | Bastian Besner Haus der Lehre - Light & Schools Luruper Chaussee 149, Gb. 60, Raum 14 22761 Hamburg |
| Versuchsmappe |
Light & Schools, das Physik-Schullabor der Universität Hamburg, begeistert junge Leute durch spannende Experimente für die Physik und die Naturwissenschaften im Allgemeinen. Die Angebote richten sich sowohl an Oberstufenklassen als auch an Mittel- und Orientierungsstufenklassen der Hamburger Stadtteilschulen und Gymnasien und sind flexibel auf die Bedürfnisse der Schüler*innen sowie der Lehrkräfte anpassbar. In der Oberstufe steht die aktuelle Forschung im Fokus der Experimente, welche thematisch von der Anwendung von Laserlicht bis hin zu Methoden aus der Quantenmechanik reichen. Die Angebote rund um das Thema Licht und moderne Technologien für die Orientierungs- und Mittelstufe regen Schüler*innen zum Nachdenken und Staunen an.
In dem Praktikumsangebot von Light & Schools geht es darum, das Fangen von transparenten Teilchen mit Hilfe von Laserstrahlung kennenzulernen und ein mit dem Nobelpreis für Physik 2018 ausgezeichnetes Verfahren selber durchzuführen und zu erforschen. Dabei werden verschiedene Teilchen gefangen und bewegt, sowie die maximale Haltekraft der Pinzette bestimmt. Unter dem Motto "Lernen durch Lehre" entwickeln die Studierenden ein Konzept, um dieses Verfahren aus der Forschung an Schüler*innen zu vermitteln.
LA2. Atome fangen und kühlen im Schullabor
| Anforderungen | Lehramtsstudium |
| Gruppe |
AG Sengstock |
| Adresse |
Haus der Lehre - Light & Schools |
| Betreuer |
Felix Klein Bastian Besner |
| Versuchsmappe |
In dem Praktikumsangebot von Light & Schools, dem Physik-Schullabor der Universität Hamburg, geht es darum, das Fangen und Kühlen von Atomen mit Hilfe von Laserstrahlung kennenzulernen. Den Studierenden wird in diesem Angebot die Arbeit an einem Forschungsaufbau ermöglicht und es werden die wesentlichen Bestandteile einer magneto-optischen Falle (MOT) diskutiert. Die Themen Temperatur, Wechselwirkung zwischen Atomen und Licht sowie Polarisation sind wesentliche Bestandteile dieses Angebotes. Unter dem Motto "Lernen durch Lehre" entwickeln die Studierenden ein Konzept, um diese Themen an Schüler*innen zu vermitteln.