aktuelle Themen - Theoretische Physik

Bachelor-Themen 2017
Prof. Dr. Michael Bonitz
Institut für Theoretische Physik und Astrophysik
Lehrstuhl “Statistische Physik”
January 18, 2017
Abstract
Die Themen für Bachelor-Arbeiten ergeben sich aus aktuellen Forschungsprojekten des Lehrstuhls, für die in der Regel Drittmittelprojekte
für Doktorandenstellen eingeworben wurden. Die Themen sind anspruchsvoll. Bei erfolgreichem Abschluss ist innerhalb eines Jahres ein Beitrag
auf einer Fachkonferenz vorgesehen, eine wissenschaftliche Publikation
wird angestrebt. Alle Themen basieren auf aktuellen Original-Publikationen unserer Gruppe. Es existieren ausführliche Einführungen in unseren Büchern, die zu Beginn der Bachelorarbeit bereitgestellt werden. In
der Regel wird ein entsprechendes Computerprogramm bereitgestellt, und
in den Winterferien erfolgt eine Einführung in die Thematik und in die
Simulationen.
1. Plasmainduzierter Metall-Isolator-Übergang in einem stark korrelierten Festkörper
Zusammenfassung: Energiereiche geladene Teilchen spielen eine große Rolle,
wenn Festkörper in Kontakt mit einem Plasma kommen. Der Energieverlust (stopping power) entscheidet über die Aufheizung des Materials,
kann aber auch zu Anregung von Wellen oder zur Umverteilung von Elektronen führen. In einem stark korrelierten Material überträgt sich die
Störung dabei in komplexer Weise von einem Gitterplatz auf dessen Nachbarn. Ziel der Bachelorarbeit ist es, zu untersuchen, ob es dabei zu einem
Metall-Isolator-Übergang kommen kann. Als theoretische Methode werden Quantenkinetische Gleichungen verwendet, erste Ergebnisse wurden
in Phys. Rev. B 94, 245118 (2016) publiziert.
2. Simulation der Elektronen- und Ionen-Geschwindigkeitsverteilung in einem Niedertemperaturplasma.
Zusammenfassung: In einer RF-Entladung wird ein Neutralgas einem
hochfrequenten elektromagnetischen Feld ausgesetzt, wobei energetische
Elektronen Neutralgas-Atome und -Moleküle anregen und ionisieren. Dies
lässt sich theoretisch akkurat mit particle in cell Simulationen (PIC) beschreiben, die atomare Prozesse und Stoßprozesse berücksichtigen. Ziel
der Bachelor-Arbeit ist es, diese Simulationen kennzulernen und zu untersuchen, inwieweit man durch Wahl der Zeitabhängigkeit des Feldes
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die Geschwindigkeitsverteilungen von Elektronen und Ionen gezielt beeinflussen kann.
3. Dynamik von Atomen auf Festkörperoberflächen: Diffusion und
Adsorption.
Zusammenfassung: Kommt ein Festkörper in Kontakt mit einem Gas
oder Plasma, treffen permanent Atome und Ionen auf die Oberfläche.
Dabei tritt eine Vielzahl von Prozessen auf: Diffusion, Adsorption, Desorption, Defektbildung usw. Ziel der Bachelor-Arbeit ist die Simulation
der Dynamik von Argonatomen auf einer Gold-Oberfläche und die Berechnung von Diffusions- und Haftkoeffizienten mit Hilfe von Molekulardynamik. Dabei sollen die mikroskopischen Wechselwirkungen aller Atome
über quantenmechanische Kraftfelder berücksichtigt werden.
4. Dynamik von Atomen auf Festkörperoberflächen: Sputter-Raten.
Zusammenfassung: Kommt ein Festkörper in Kontakt mit einem Gas
oder Plasma, treffen permanent Atome und Ionen auf die Oberfläche.
Dabei tritt eine Vielzahl von Prozessen auf: Diffusion, Adsorption, Desorption, Defektbildung usw. Ziel der Bachelor-Arbeit ist die Simulation
der Wechselwirkung energiereicher Argonatome und -ionen mit einer GoldOberfläche, insbesondere der Oberflächenmodifikation (Sputtern) auf der
Basis von Kinetic Monte Carlo-Simulationen. Die entsprechenden Prozessraten werden aus atomistischen Modellierungen bestimmt und mit Standard-Modellen (SRIM) verglichen.
5. Loschmidt-Echo in einem wechselwirkenden Quantensystem
Zusammenfassung: Der scheinabare Widerspruch zwischen reversibler Teilchendynamik in der Mechanik und irreversibler Relaxation makroskopischer Systeme führte Loschmidt zu einem Gedanken-Experiment: wenn zu
einem Zeitpunkt t die Geschwindigkeiten aller Teilchen invertiert würden,
müsste das System in seinen Anfangszustand zurückkehren. Während das
für klassische Systeme oder einzelne Spins gut untersucht ist (LoschmidtEcho, Spinecho etc), ist noch unklar, ob dieser Effekt auch in einem wechselwirkenden Quantensystem auftritt. Diese Frage soll in der Bachelorarbeit im Rahmen von Quantenkinetischen Simulationen untersucht werden.
6. Thermodynamische Eigenschaften “Warmer Dichter Materie”.
Zusammenfassung: “Warme Dichte Materie” ist ein exotischer Zustand,
der im Inneren von Planeten und Sternen, sowie bei der Kompression
von Festkörpern mit hochintensiver Laserstrahlung erzeugt wird. Dabei
ist der Druck so hoch (bis zu 100-fache Festkörperdichte), dass–wegen
des Pauliprinzips der Elektronen–Atome und Moleküle ionisiert werden.
Die starke Coulombwechselwirkung, Quanten-und Spineffekte erschweren
die theoretische Behandlung enorm, so dass neue Quanten-Monte-CarloVerfahren entwickelt werden mussten, s. z.B. Phys. Rev. Lett. 117,
156403 (2016). Ziel der Bachelorarbeit ist es, diese Simulationen kennenzulernen und die Abhängigkeit der thermodynamischen Eigenschaften von
der Spinpolarisation zu untersuchen.
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