Graduate School Cluster of Excellence ‚CUI: Advanced Imaging of Matter

Vi tilbyder løbende ph.d.- og postdoc-stillinger inden for følgende kerneområder, og vi inviterer højt kvalificerede og motiverede kandidater til at søge. De fleste stillinger vil forblive åbne, indtil de er besat. For mere information kontakt den respektive vejleder:

• A: Design af dynamisk fremkomst i kvantestof
• B: Indfangning af emergent kemi
• C: Udforskning af emergens i heterogene systemer

A: Design af dynamisk fremkomst i kvantestof

Forskning i område A fokuserer på kvantesystemer, der kan styres usædvanligt godt: kvantegasser og faste stoffer. Her sigter vi på at forstå og kontrollere nye funktionaliteter, der opstår i ikke-ligevægt eller i udsøgt skræddersyede ligevægtsindstillinger, funktionaliteter, der indtil videre ikke eksisterer under omgivende forhold.

Forskergrupperne vil især beskæftige sig med følgende spørgsmål:

• Hvordan kan vi øge den kritiske temperatur af ikke-ligevægtssuperledere ved hjælp af optisk eller elektronisk kørsel?
• Hvordan kan vi skabe, forstå og kontrollere nye klasser af interagerende systemer med topologi?
• Hvordan kan vi samle mange-legeme-systemer, atom for atom, for at opnå særligt robuste magnetiske eller superledende mange-legeme-tilstande?
• Hvad kan vi vinde, når vi udnytter ikke-klassisk lys til at forberede og kontrollere stoffets kollektive egenskaber?

Et fælles aspekt ved alle forskningsprojekter i område A er, at disse spørgsmål behandles i tæt samarbejde mellem eksperimenter i makroskopiske faste stoffer og modellignende systemer, såsom kvantegassimulatorer og arrays af magnetiske atomer på overflader. Med udgangspunkt i denne kombination vil vi behandle og forstå fundamentale kvantefænomener, som vil afsløre vejledende principper, der er nødvendige for de andre områder. Her kan vi være særligt opmærksomme på de elektroniske frihedsgrader, da den krystallinske orden undertrykker nukleare omlejringer.

Fuld kvantekontrol over individuelle atomer vil blive opnået ved hjælp af scanning tunneling eller kvantegasmikroskopi, hvorimod lysets fulde kvantenatur vil blive udnyttet i eksperimenter med ikke-klassisk lys og stærk lys-stof-kobling.

Område A eksemplificerer den høje grad af kontrol, som vi i sidste ende ønsker at opnå over de mere komplekse byggeklodser undersøgt i område B og C.

B: Indfangning af emergent kemi

Forskningsområde B retter sig mod molekyler af små til mellemstore størrelser, som trods deres begrænsede antal atomare bestanddele allerede har et stort antal frihedsgrader. Emergent adfærd i disse systemer opstår gennem en intim kobling mellem de elektroniske og nukleare undersystemer og kan fremmes yderligere gennem interaktion med et opløsningsmiddel eller overflademiljø.

På dette område vil forskergrupperne behandle følgende centrale spørgsmål:

• Hvilke er de vigtigste nye frihedsgrader, der ligger til grund for kemiske reaktioner?
• Hvordan kan vi bruge lys til at fremtvinge en ønsket kemisk Pathway ?
• Kan vi forudsige, identificere og kontrollere nye kollektive tilstande ved at bruge stærk lys-stof-kobling? Kan vi så skræddersy kemiske processer eller faseovergange ved hjælp af fotoner?

I sammenligning med område A øges kompleksiteten i område B gennem det faktum, at i kemisk reaktive processer er atompositionerne ikke kvasi-harmonisk afgrænsede; translationel periodicitet er brudt. Fremkomsten af kemi hviler på det resulterende dynamiske samspil mellem elektroniske og nukleare bevægelser, som giver anledning til kollektive frihedsgrader, der ligger til grund for kemiske reaktioner.

For at identificere og karakterisere de dynamiske Pathways , der tages af de vigtigste nye frihedsgrader, vil vi anvende kraftfulde røntgen- og elektronsprednings- og spektroskopiteknikker i tæt sammenhæng med teori. Den resulterende indsigt vil give kritiske spor for udviklingen af effektive optiske kontrolstrategier til at styre kemiske reaktioner.

At opnå denne drøm om at styre kemi vil have konsekvenser for både område A og C, hvor vi i sidste ende sigter mod at opnå optisk kontrol over processer så forskellige som proteinkonformation og funktion eller konkurrerende faser i faste stoffer.

C: Udforskning af emergens i heterogene systemer

Forskningsobjekterne for område C, biologiske makromolekyler og kunstige nanostrukturer, er typiske repræsentanter for det næste hierarkiske funktionalitetsniveau sammenlignet med mellemstore molekyler og faste stoffer. Vores langsigtede mål er at opnå en tilsvarende mængde forståelse og kontrol som i område A og B af de processer, der fører til fremkomsten af funktionalitet i fx et protein eller en effektiv fotokatalysator.

Forskergrupperne vil behandle følgende specifikke spørgsmål:

• Hvilken rolle spiller dynamik og heterogenitet i makromolekylær funktion?
• Hvordan fører strukturdannelse på nanoskalaen til emergent funktionalitet i naturlige og kunstige nanomaterialer?
• Hvordan opstår elektrontransport mellem adskilte kvantesystemer på nanoskala?

Disse spørgsmål er naturligt inspireret af den nye forståelse af kemi i område B og vigtigheden af topologi og nye kontrolmetoder i område A, som skal kombineres med udviklingen af nye evner til at afbilde konformationel dynamik på atomær skala.

Det er i område C, hvor vi gør brug af XFEL-revolutionen i størst udstrækning, i nogle tilfælde ved at drage fordel af ikke-lineære regimer, der er åbnet i område A. Alle projekter i område C kræver desuden nye tilgange til prøveforberedelse og teoretiske beskrivelser af komplekst stof, der er drevet ud af ligevægt.

I område C er koblede processer på flere tids- og længdeskalaer afgørende for fremkomsten af funktionalitet. For eksempel er koblingen af elektroniske bevægelser til individuelle kerner betinget af de konformationelle ændringer af de større molekylære eller nanopartikel-undersystemer. Sammen med energikilder, for eksempel fra miljøet, resulterer dette i feedback-loops, der producerer dynamiske ændringer i de energiske landskaber, som udnyttes i biologien til i høj grad at forstærke og styre kemiske reaktioner på måder, som reagensglaskemi ikke kan. Vores ambition er at være i stand til at designe sådanne funktionaliteter ved at kontrollere grundlæggende interaktioner på atomær og molekylær skala.

I denne forstand kan område C forstås som en naturlig forlængelse af område A og B, hvor vi er ved overgangen fra regimet af sammenhængende mange-legeme kvantefysik til klassiske beskrivelser, som fortsat repræsenterer en stor udfordring for en passende teoretisk beskrivelse.

De metoder, der udvikles her, vil blive stadig vigtigere for klyngen, efterhånden som vores beherskelse af stof vokser med stigningen i kompleksiteten og heterogeniteten af systemerne i område A og område B.

Alle ph.d.-studerende er automatisk medlem af ph.d.-skolen og nyder godt af de mange fordele ved den. Dette omfatter ikke kun intensive kurser, men også muligheden for at søge midler, for at besøge konferencer og workshops eller tage på samarbejdsbesøg på anerkendte institutter.

Elever kan organisere deres egne skoler ved hjælp af klyngemidler og drage fordel af forskellige elevaktiviteter og arrangementer. Der gives uddannelse både med hensyn til det tilsvarende forskningsarbejde og også med hensyn til personlige og faglige færdigheder.

Colloquia og et rigt gæsteprogram af internationalt førende eksperter komplementerer ikke kun uddannelses- og træningsprogrammet, men tilbyder især den unikke mulighed for at lære om den seneste udvikling inden for de tilsvarende områder på egen hånd.