Forschung

Forschungsthemen in der AG Theoretische Chemie

Aureothin

Foto: Phillip Seeber

Forschungsschwerpunkte

Modellierung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie mit Hilfe quantenchemischer und dynamischer Methoden
Elektronische und spektroskopische Eigenschaften molekularer Systeme
Photophysik und Photochemie von Elektronen-Transfersystemen
Zeitaufgelöste Spektroskopie - Femtosekundenchemie
Attosekundenphysik und Elektronendynamik
Atom- und Molekülphysik in starken Laserfeldern

Theoretische Beschreibung verschiedener photophysikalischer und -chemischer Prozesse mit Hilfe quantenchemischer und dynamischer Methoden

Energie- und Elektronentransferprozesse sind in der Natur von herausragender Bedeutung, wie z. B. bei der Photosynthese aber auch bei künstlichen Anwendungen (z. B. bei Solarzellen und Photokatalyse). In der Photosynthese (z. B. Photosystem II) wird eine effiziente Licht-"Ernte" erreicht, indem eine Vielzahl von Chromophoren in eine supramolekulare Antenne integriert werden. Diese Antenne wiederum absorbiert Sonnenlicht über einen weiten Spektralbereich. Dabei finden intermolekulare Energie- und Elektronenübertragungen statt. Jedoch führen unerwünschte intermolekulare Transferprozesse zur Deaktivierung oder sogar die Beeinträchtigung der Antenne.

In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir derartige photochemische und photophysikalische Prozesse mit Hilfe moderner quantenchemischer und -dynamischer Methoden. Neben der methodischen Entwicklung arbeiten wir auch eng mit verschiedenen experimentell arbeitenden Gruppen zusammen. Lokale Kollaborationen bestehen u. a. mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Benjamin Dietzek, Prof. Dr. Jürgen Popp, Prof. Dr. Volker Deckert (IPC) und Prof. Dr. Christian Hertweck (HKI).

[1] S. Kupfer, et al., "Fate of photoexcited molecular antennae— intermolecular energy transfer vs photodegradation assessed by quantum dynamics", J. Phys. Chem. C 2018, 122, 3273 - 3285.
[2] K. M. Ziems, S. Gräfe, S. Kupfer, "Photo-induced charge separation vs. Degradation of a BODIPY-based photosensitizer assessed by TDDFT and RASPT2", Catalysts 2018, 8, 520-1 - 5201-17.
[3] V. G. Haensch, T. Neuwirth, J. Steinmetzer, F. Kloss, R. Beckert, S. Gräfe, S. Kupfer, C. Hertweck, "Metal-Free Aryl Cross-Coupling Directed by Traceless Linkers", Chem. Eur. J. 2019, 25,.

Photoinduzierter intramolekular Energietransfers eines molekularem Antennensystems Foto: Abbildung aus Ref. [1]

Starfeld-Molekülphysik

Während die Starkfeldphysik in den letzten Jahrzehnten vor allem auf Atome und kleine, zweiatomige Moleküle fokussiert war, werden nun verstärkt auch größere und chemisch interessantere Moleküle untersucht. In diesen starken Laserfeldern spielt neben der Rotationsdynamik auch Ionisations- und Fragmentationsdynamik eine bedeutende Rolle. Es ist für die theoretische Modellierung eine große Herausforderung, die Wechselwirkung von polyatomaren Molekülen mit intensiven Laserfeldern vollständig numerisch zu beschreiben, da zu viele Freiheitsgrade auf vielen verschiedenen Zeitskalen beteiligt sind.

Wir verfolgen in der theoretischen Beschreibung verschiedene Ansätze, von Multi-Physik-Ansätzen zu (semi-)klassischer Dynamik. Damit können wir beispielsweise die Ionisation von triatomaren und pro-chiralen molekularen Systemen beschreiben [4,5], die komplexe Starkfeld-Dynamik von HeH⁺ [6], oder aber die Symmetriebrechung (Renner-Teller-Effekt) von CS₂ in starken Feldern [7]. Dabei arbeitet unsere Arbeitsgruppe oft eng mit experimentell arbeitenden Gruppen zusammen. Lokal arbeiten wir u. a. mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gerhard Paulus (Physikalisch-Astronomische Fakultät) zusammen.

[4] M. Paul, L. Yue, S. Gräfe, "Imprints of the molecular electronic structure in the photoelectron spectra of strong-field ionized asymmetric triatomic model molecules ", Phys. Rev. Lett. 2018, 120, 233202.
[5] M. Paul, S. Gräfe, "Strong-field ionization dynamics of asymmetric equilateral triatomic model molecules in circularly polarized laser fields", Phys. Rev. A 2019, 99, 053414-1 - 053414-22.
[6] P. Wustelt, F. Oppermann, L. Yue, M. Möller, T. Stöhlker, M. Lein, S. Gräfe, G. G. Paulus, A. M. Sayler, "Heteronuclear limit of strong-field ionization: Fragmentation of HeH+ by intense ultrashort laser pulses", Phys. Rev. Lett., 2018, 121, 073203-1 - 073203-5.
[7] K. Amini, et al,, "Imaging the Renner-Teller effect using laser-induced electron diffraction", Proc. Natl. Acad. Sci. 2019, 116, 8173 - 8177.

Neuer SFB: NOA— Nichtlineare Optik auf atomaren Skalen
(Sprecherteam: Prof. Ulf Peschel (Physik) und Prof. Stefanie Gräfe)

Der Sonderforschungsbereich SFB 1375 "NOA - Nichtlineare Optik bis in den Atombereich" wurde im Juli 2019 an der Friedrich-Schiller-Universität eingerichtet. Das Forschungsprogramm konzentriert sich auf die Erforschung grundlegender nichtlinearer Prozesse der Licht-Materie-Wechsel-wirkung in niedrigdimensionalen Nanostrukturen, wie atomar dünne Schichten, Nanopartikel und -drähte, nanostrukturierte Oberflächen und molekulare Baugruppen. NOA wird Quantenphänomene wie das lichtinduzierte Tunneln von Elektronen durch metallische Nanospalten und die feldgetriebene Trägerbeschleunigung in plasmonischen Nanostrukturen, Atomgittern und 2D-Materialien untersuchen. Dazu gehört die Untersuchung der resultierenden Rückwirkung auf das elektromagnetische Feld, die zur Erzeugung höherer Oberwellen und Informationen über die an der Wechselwirkung beteiligten elektronischen Wellenfunktionen führt.