For­schungs­pro­jek­te des SFB ELCH

Pro­jekt­be­reich A

In diesem Projekt untersuchen wir den zirkularen Dichroismus in der Elektronenmission nach Absorption eines einzelnen Photons. Im ersten Schritt variieren wir systematisch das Molekülpotential, welches für die Streuung des direkt erzeugten Photoelektrons verantwortlich ist und den Elektronenfluss aus der Polarisationsebene asymmetrisch in die Vorwärts-/Rückwärtsrichtung verschiebt. Der nächste Schritt zielt darauf ab, einen zirkularen Dichroismus in der Emission der schnellen Augerelektronen zu beobachten, welche nach resonanter oder nichtresonanter Photoabsorption erzeugt werden. Die dritte Serie von Experimenten untersucht wie die Helizität des Photons auf mehrere Elektronen aufgeteilt wird.

Dr. Markus Schöffler
Goethe-Universität Frankfurt am Main
Fachbereich Physik
Institut für Kernphysik
Max-von-Laue-Straße 1
60438 Frankfurt am Main
Telefon: +49 (0)69 798-47022
Telefax: +49 (0)69 798-47024
E-Mail: schoeffler@atom.uni-frankfurt.de

Wir untersuchen die Elektronenemission aus chiralen Molekülen in kurzen, zirkular polarisierten Laserpulsen im Bereich der Tunnelionisation (lange Wellenlängen). Wir versuchen ein möglichst vollständiges und detailliertes Bild des Ionisationsprozesses zu erlangen. Im ersten Teilprojekt untersuchen wir die dreidimensionale Impulsverteilung der Elektronen in Koinzidenz mit der Richtung der Molekülfragmente mittels der COLTRIMS Technik. Im zweiten Teilprojekt untersuchen wir die Spinpolarisation der Elektronenimpulsverteilung.

Prof. Dr. Reinhard Dörner
Goethe-Universität Frankfurt am Main
Fachbereich Physik
Institut für Kernphysik
Max-von-Laue-Straße 1
60438 Frankfurt am Main
Telefon: +49 (0)69 798-47003
Telefax: +49 (0)69 798-47024
E-Mail: doerner@atom.uni-frankfurt.de

An chiralen molekularen Prototypen untersuchen wir drei verschiedene ultraschnelle Prozesse: 1) Wir erzeugen ein elektronisches Rydberg-Wellenpaket mit zirkular polarisiertem Licht, was zu einer Kepler-Umlaufbahn führt. Dieses lose gebundene Elektron tastet verschiedene Bereiche des chiralen Moleküls ab und wird dabei über den zeitaufgelösten Photoelektronen Zirkulardichroismus (PECD) registriert. 2) Wir ändern die Frequenzanordnung in einem Weißlicht-Kontinuum und untersuchen, wie sich die zeitliche Ordnung der elektronischen Anregungen im PECD-Signal widerspiegelt. 3) Wir untersuchen den PECD im Fall eines eingefrorenen Kerngerüsts bis hin zu einem Eigenzustandsbild.

Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel 
Institut für Physik 
Experimentalphysik III - Femtosekundenspetroskopie 
und ultraschnelle Laserkontrolle 
Heinrich-Plett-Straße 40 
34132 Kassel 
Telefon: +49 (0)561 804-4452 
Telefax: +49 (0)561 804-4453 
E-Mail: baumert@physik.uni-kassel.de

Wir werden experimentell untersuchen wie sich die Chiralität eines Moleküls während eines Dissoziationsprozesses entwickelt. Wie lange und unter welchen Bedingungen kann Chiralität mittels zeitaufgelösten Photoelektronenzirkulardichroismus nachgewiesen werden? Wie kann Chiralität in dissoziierenden Systemen mit nichtchiralen oder chiralen Fragmenten definiert werden? Um diese Fragen zu beantworten werden wir pumpprobe Experimente mit geteilten Femtosekunden (fs) Röntgenpulsen von FELs und mit einer Kombination aus Pikosekunden Röntgenpulsen aus Synchrotronstrahlungsquellen und fs Pulsen aus UV Lasern durchführen. Im Dissoziationsprozess werden wir den Elektronen und den Atomkernen auf ihren jeweiligen inhärenten Zeitskalen folgen.

Prof. Dr. Arno Ehresmann
Telefon: +49 (0)561 804-4060 
Telefax: +49 (0)561 804-4510 
E-Mail: ehresmann@physik.uni-kassel.de

Dr. André Knie
Telefon: +49 (0)561 804-4062 
Telefax: +49 (0)561 804-4150
E-Mail: knie@physik.uni-kassel.de

Universität Kassel 
Institut für Physik 
Experimentalphysik IV - Dünne Schichten 
und Synchrotronstrahlung 
Heinrich-Plett-Straße 40 
34132 Kassel

Zirkulardichroismus zeigt sich gewöhnlich in den Absorptionsspektren chiraler Moleküle oder in der Polarisation transmittierten Lichtes, aber auch in der Ionenausbeute nach Laseranregung. Jedes Mittel, um die Molekülstruktur zu verändern oder die effektive Wechselwirkungsstärke der elektrischen und magnetischen Dipolmomente zu beeinflussen, sollte daher die Ionenausbeute beeinflussen. Mit Femtosekundenmethoden werden wir strukturelle Veränderungen über Schwingungswellenpakete induzieren und steuern. Effektive Übergangsmomente werden wir in sequentiellen Photonenabsorptionsprozessen oder durch Verwendung von Wechselwirkungsregimes jenseits der Störungstheorie verändern.

Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel 
Institut für Physik 
Experimentalphysik III - Femtosekundenspetroskopie 
und ultraschnelle Laserkontrolle 
Heinrich-Plett-Straße 40 
34132 Kassel 
Telefon: +49 (0)561 804-4452 
Telefax: +49 (0)561 804-4453 
E-Mail: baumert@physik.uni-kassel.de

Das Hauptziel dieses Projektes ist es Atome dahingehend zu verwenden, dass ihre Uhrenübergänge verwendet werden können, um die Chiralität von Molekülen identifizieren zu können. Hierzu werden wir Rydbergzustände verwenden, welche extreme Eigenschaften wie ein großes elektrisches und magnetisches Dipolmoment und höhere Momente aufweisen. Zusätzlich können hochpräzise Uhrenübergänge verwendet werden, um Quantenmessprotokolle durchzuführen. Damit können die durch chirale Moleküle erzeugten Phasenverschiebungen mittels Ramsey und Spin-Echo Pulsen gemessen werden, so dass zusätzlich Phasenverschiebungen aufgrund von Wechselwirkungen mit der Umgebung refokussiert werden.

Prof. Dr. Kilian Singer
Universität Kassel 
Institut für Physik 
Experimentalphysik I - Licht-Materie-Wechselwirkung 
Heinrich-Plett-Straße 40 
34132 Kassel 
Telefon: +49 (0)561 804-4235 
E-Mail: ks@uni-kassel.de

Pro­jekt­be­reich B

Wir verfolgen zwei vielversprechende Wege, um aus der koinzidenten Messung von Fragmentimpulsen die Händigkeit eines chiralen Moleküls zu bestimmen. Im ersten Ansatz werden wir mittels eines starken linear polarisierten Laserpulses das Molekül vielfachionisieren, im zweiten Ansatz werden wir mittels Synchrotronstrahlung ein Elektron aus einer inneren Schale auslösen woraufhin weitere Elektronen in einer Augerkaskade emittiert werden. In diesem Fall werden wir zusätzlich die Winkelverteilung eines hochenergetische Photoelektrons, das im Molekül gebeugt wird, zur Händigkeitsbestimmung hinzuziehen.

Dr. Markus Schöffler
Telefon: +49 (0)69 798-47022
Telefax: +49 (0)69 798-47024
E-Mail: schoeffler@atom.uni-frankfurt.de

Prof. Dr. Reinhard Dörner
Telefon: +49 (0)69 798-47003
Telefax: +49 (0)69 798-47024
E-Mail: doerner@atom.uni-frankfurt.de

Goethe-Universität Frankfurt
Institut für Kernphysik
Max-von-Laue-Str. 1
60438 Frankfurt am Main

In Projekt B2 nutzen wir zugeschnittene Mikrowellenfelder, um chirale Moleküle in der Gasphase zu untersuchen, zu kontrollieren und zu manipulieren. Es handelt sich um einen kohärenten, resonanten und nicht-linearen Prozess und ist inhärent mischungskompatibel. Er ermöglicht Zugang zur Bestimmung der absoluten Konfiguration und des Enantiomerenüberschusses. Zugeschnittene Mikrowellenpulse erlauben es, Zustandspopulationen innerhalb eines Moleküls enantiomerenspezifisch zu transferieren. Dies ist der erste Schritt zu einer Enantiomerentrennung basierend auf elektromagnetischen Feldern. Derartige Proben sind einzigartige Startpunkte für zukunftsweisende Molekülphysikexperimente, wie chiralitätsabhängige Stöße und Präzisionsmessungen.

Prof. Dr. Melanie Schnell
Telefon: +49 (0)40 8998-6240
E-Mail: melanie.schnell@desy.de
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Notkestraße 85
22607 Hamburg

and

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Institut für Physikalische Chemie
Max-Eyth-Straße 1
24118 Kiel

In Projekt B3 werden Eigenschaften und dynamisches Verhalten chiraler Moleküle in der Gasphase mittels Infrarot- und Terahertz-Spektroskopie untersucht. Das Tunnelverhalten chiraler Moleküle in Abhängigkeit der Rotations-Vibrationsanregung wird mithilfe schmalbandiger phasenstabilisierter Infrarotlaser bestimmt. Der chirale Überschuss eines Racemats wird mithilfe kohärent gekoppelter Rotations-Vibrations-Zustände bestimmt und darauf basierend, in Kooperation mit Projekt B2, eine Methode zur enantio-selektiven Anregung entwickelt werden. Diese Untersuchungen eröffnen, gemeinsam mit Projekt C3, neue Möglichkeiten zur chiralen Reinigung racemischer Gasgemische (Chiral Purification). Darüber hinaus werden Techniken zur Präzisions-Spektroskopie weiterentwickelt, um die vorhergesagte Paritätsverletzung in chiralen Molekülen erstmals experimentell nachzuweisen.

Prof. Dr. Thomas Giesen
Universität Kassel
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-4775
E-Mail: t.giesen@uni-kassel.de

Dieses Projekt untersucht die Umwandlung eines individuellen Moleküls von einem Enantiomer in das andere. Der Arbeitsplan soll den Weg zu einer rein optischen Anreicherung eines Enantiomers bereiten. Wir werden dafür zunächst untersuchen, wie sich chirale Moleküle nach Anregung in einen Zustand mit nichtchiraler Geo-metrie verhalten. Dabei werden wir ein Pump-Probe-Experiment mit chiraler Empfindlichkeit durch Photoelektronen-Zirkulardichroismus (PECD) durchführen. Im nächsten Schritt sollen Moleküle einer Händigkeit in die andere unter Anwendung von Kohärenter Kontrolle in der Zeitdomäne überführt werden. Die drei im Fokus stehenden Moleküle sollen zusätzlich in einer PECD-Referenzmessung charakterisiert werden.

Dr. Arne Senftleben
Universität Kassel
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-4294
E-Mail: arne.senftleben@uni-kassel.de

Pro­jekt­be­reich C

Das C1 Projekt schlägt eine umfassende theoretische Untersuchung des Zirkulardichroismus vor, der bei der Ionisation der inneren Schale, der Fragmentierung, und dem Zerfall, sowie bei der Mehrphotonen- und der Tunnelionisation von teilweise und vollständig im Raum orientierten chiralen Molekülen auftritt. Es soll zur Entwicklung zuverlässiger theoretischer Ansätze für die quantitative Beschreibung von winkel- und zeitaufgelösten Experimenten mit chiralen Molekülen führen. Zusammen mit den Experimenten, die in diesem SFB geplant sind, sollen die vielversprechenden Observablen qualitativ verstanden, quantitativ charakterisiert sowie systematisch quantifiziert werden.

Prof. Dr. Philipp Demekhin
Universität Kassel
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-4013
E-Mail: demekhin@physik.uni-kassel.de

Photoionisationsexperimente sind ein wesentliches Instrument zur Untersuchung der Chiralität von Molekülen in der Gasphase. In diesem Projekt werden wir ab initio-Methoden zur zeitabhängigen Beschreibung solcher Experimente entwickeln und dabei sowohl die Chiralität des Photoelektronenkontinuums als auch Elektronenkorrelationen systematisch berücksichtigen. Durch Kombination dieser Herangehensweise mit Methoden der Quantenkontrolltheorie werden wir untersuchen, wie groß das maximal beobachtbare Chiralitätssignal für zufällig ausgerichtete Moleküle ist.

Dr. Daniel Reich
Telefon: +49 (0)561 804-4574
E-Mail: daniel.reich@physik.uni-kassel.de

Prof. Dr. Christiane Koch
Telefon: +49 (0)561 804-4407
E-Mail: christiane.koch@uni-kassel.de

Universität Kassel
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel

Ein chirales Molekül mit einer bestimmten Händigkeit zu erzeugen, ist bisher nur mittels enantiomer-selektiver Synthese möglich. In diesem Projekt soll untersucht werden, inwiefern maßgeschneiderte elektromagnetische Felder dazu benutzt werden können, Gemische, die beide Händigkeiten enthalten, in enantiomerenreine Proben aufzutrennen. Mögliche Mechanismen dafür sind eine enantiomer-selektive Anregung gefolgt von Separation sowie die gerichtete Umwandlung eines Enantiomers in das andere. Die Form der elektromagnetischen Felder, die die entsprechende Rotations- und Vibrationsdynamik treiben, soll mit Hilfe der Quantenkontrolltheorie bestimmt werden

Prof. Dr. Christiane Koch
Universität Kassel
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-4407
E-Mail: christiane.koch@uni-kassel.de

Theoretische Ansätze, die die relevanten fundamentalen Wechselwirkungen berücksichtigen, werden entwickelt und verwendet um vornehmlich i) neue Zugänge zur Bestimmung der absoluten Konfiguration chiraler Moleküle in der Gasphase zu etablieren, basierend auf der Detektion von hochenergetischen Photoelektronen, sowie um ii) ionische Kandidatensysteme zu identifizieren und deren Eigenschaften zu beschreiben, um damit den Weg für erfolgreiche Präzisionsexperimente an chiralen Molekülen zu ebnen, die als hochempfindliche Sonden zum grundlegenden Verständnis fundamentaler Physik beitragen.

Prof. Dr. Robert Berger
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Hans-Meerwein-Str. 4
35032 Marburg
Telefon: +49 (0)6421 282-5687
E-Mail: robert.berger@uni-marburg.de

Pro­jekt­be­reich Z

Das vorliegende Projekt stellt maßgeschneidert Moleküle bereit, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Hinblick auf physikalische Parameter im Zusammenhang mit Chiralität auf molekularer Ebene zu etablieren. Das Projekt zielt darauf ab die Bedeutung spezieller Strukturmerkmale für die Detektion durch die in diesem SFB verfügbaren komplementären physikalischen Methoden heraus zu arbeiten. Als Konsequenz der Methodenvielfalt werden grundsätzlich unterschiedliche Molekültypen angestrebt: zum einen möglichst kleine chirale Moleküle (bezogen auf die Anzahl der Atome), zum anderen chirale Moleküle mit Chromophoren, die Absorptionsbanden im sichtbaren Bereich ermöglichen.

Prof. Dr. Rudolf Pietschnig
Universität Kassel
Institut für Chemie
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-4615
E-Mail: pietschnig@uni-kassel.de

Das Projekt widmet sich allen administrativen Aufgaben und Verpflichtungen des SFBs und vertritt ELCH sowohl gegenüber den teilnehmenden als auch externen Institutionen. Die Aufgaben umfassen in erster Linie drei Hauptbereiche: (i) Verwaltung und Organisation des SFBs selbst; (ii) Öffentlichkeitsarbeit (iii) Unterstützung von Studenten und Nachwuchswissenschaftlern in allen Entwicklungs- und Karrierestufen. Maßnahmen zur Förderung der Gleichstellung der Geschlechter spielen in allen drei Bereichen eine wichtige Rolle.

Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-4452
E-Mail: baumert@physik.uni-kassel.de