Forschungsgruppen im CMTC

Mitglieder
Assoziierte Mitglieder
  • Vlad Cojocaru, MPI für Molekulare Biomedizin Münster (Computational Structural Biology)
  • Claudia Filippi, University of Twente, Enschede / Niederlande (Elektronenstrukturtheorie)
  • Mark Waller, Shanghai University, China (Multiskalenmodellierung komplexer molekularer Systeme)

SAEED AMIRJALAYER - Physik, Physikalisches Institut:

Multiskalensimulation poröser und photoaktiver Systeme

  • Atomistische Modellierung poröser Funktionsmaterialien (Metal-Organic-Frameworks, Covalent-Organic Frameworks etc.)
  • Strukturaufklärung mit Hilfe Genetischer Algorithmen
  • Ab-initio Parametrisierung von Kraftfeldern
  • Quantenmechanische Untersuchung photoaktiver molekularer Maschinen
Amirjalayer-mof

HARTMUT BRACHT - Physik, Materialphysik:

Ionenstrahlmischung, atomarer Transport und Wärmeleitung in Halbleiter-Nanostrukturen


Hp Bracht1Ionenstrahlmischung isotopenveränderter Germanium-Multilayer:

Klassische Molekulardynamik-Simulation einer durch Germaniumimplantation verursachten Kaskade bei 300 K und 1 Picosekunde nach dem Einschlag. Die dunkel eingefärbten Atome wurden um mehr als den Abstand zum nächsten Nachbarn von ihren ursprünglichen Gitterplätzen verschoben. Nach der Relaxation der Kaskade bleibt eine stabile Defektstruktur zurück, die bei weiterer Einstrahlung immer weiter anwächst bis die Kristallstruktur schließlich komplett zerstört ist. Diese Strukturwandlung hat Auswirkungen auf physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Wärmeleitung und Schmelzpunkt des Materials. Diese Eigenschaften beeinflussen die Dynamik der Kaskadenrelaxation.


Wärmeleitung in isotopenkontrollierten Silizium-Nanostrukturen:
Hp Bracht2

Zeitaufgelöste relative Gitterausdehnung einer Au/Cr-Schicht auf natürlichem Si (blau) und auf einer Struktur mit 20 Doppelschichten 30Si(10nm)/ 28Si(10nm) (rot). Die Gitterausdehnung wurde in einem pump-and-probe Experiment gemessen (siehe Abbildung), indem das Metall zunächst mit einem Laserpuls erhitzt und dann röntgenspektroskopisch untersucht wurde. Die linke Achse zeigt die relative Ausdehnung des Au-Gitters, die rechte Achse die zugehörige Temperatur ΔT=T-300 K. Regressionskurven basieren auf Kontinuum-theoretischen Simulationen des Wärmeleitungsexperiments. Die Abkühlung der Au-Schicht auf der Isotopenstruktur verläuft viel langsamer als auf dem natürlichen Silizium. Diese Reduktion der thermischen Leitfähigkeit von Si konnte durch MD-Simulationen qualitativ bestätigt werden. Durch Verändern der Isotopenverteilung kann also die thermische Leitfähigkeit von Silizium verändert werden ohne seine elektronischen Eigenschaften zu beeinflussen. Diese Konzept ermöglicht die weitere Entwicklung thermoelektrischer Bauteile.


NIKOS DOLTSINIS - Physik, Festkörpertheorie:

Theorie funktionaler Nanostrukturen

  • Ab Initio Molekulardynamik
  • Theorie funktionaler Nanostrukturen
  • Nicht−adiabatische Simulationen photoinduzierter Prozesse
  • Simulation seltener Ereignisse
  • Berechnung freier Energieflächen

Ag Doltsinis

HARALD FUCHS - Physik, Physikalisches Institut:

Grenzflächenphysik

(under construction)


UWE THIELE und SVETLANA GUREVICH - Physik, Theoretische Physik:

Selbstorganisation und Komplexität

  • Grundlegende Mechanismen der Selbstorganisation; Bildung von Mustern in dynamischen selbstorganisierenden Systemen
  • Analyse komplexer Systeme und stochastischer Prozesse
  • Turbulente Felder

Hp Agfriedrich

Abb. 1: a. Turbulentes Temperaturfeld in dreidimensionaler Rayleigh-Bénard-Konvektion, mit heißen bzw. kalten Plums, die aus unteren und oberen Grenz-schichten herausbrechen; b. Verweilzeiten träger Partikel im Strömungsfeld eines Zylinders; c. Abschätzung eines Strömungsvektorfeldes (Pfeile) und der Wahrscheinlichkeits-dichtefunktion (farbkodiert) einer synthetischen Zeitserie des Rausch-gestörten Haken-Zwanzig-Modells zusammen mit einer analytischen Näherung der instabilen Mannigfaltigkeit des Sattelpunktes im Zentrum (rote Kurve); d. Das Muster, das bei einem Langmuir-Blodgett Transfer auf einem vorstrukturiertes Substrat erzeugt wird. Das Streifenmuster weist eine 2:1 Synchronisation mit der Vorstruktur auf.


MICHAEL HANSEN - Chemie, Physikalische Chemie:

(under construction)


ANDREAS HEUER - Chemie, Physikalische Chemie:

Untersuchung von Dynamik und Phasenverhalten Komplexer Systeme mittles Computersimulationen

  • Mechanismus der Ionenleitung in Elektrolyten (Polymere, ionische Flüssigkeiten, anorganische Systeme)
  • Linearer und nichtlinearer Transport sowie Phasenverhalten von ungeordneten Systemen
  • Thermodynamik und Phasenverhalten von DNA-, Protein- und Membransystemen
  • Strukturbildung auf Oberflächen bei Depositionsexperimenten
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TILMANN KUHN - Physik, Festkörpertheorie:

Nichtgleichgewichts-Dynamik in Halbleitern, Supraleitern und Ferromagnetischen Filmen

Der Schwerpunkt der in der Arbeitsgruppe bearbeiteten Forschungsthemen liegt im Bereich der theoretischen Beschreibung und der Simulation der Nichtgleichgewichtsdynamik wechselwirkender Vielteilchensysteme, wie sie in verschiedenen Festkörpermaterialien und Nanostrukturen, aber auch beispielsweise in ultrakalten atomaren Quantengasen auftreten. Die Abbildungen zeigen beispielhaft Ergebnisse aus zwei aktuell bearbeiteten Projekten.


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Abb. 1: Ergebnisse von Simulationen im Rahmen einer Dichtematrixtheorie zum Einfluss der Elektron-Phonon-Wechselwirkung auf die Exzitonbesetzung eines Halbleiter-Quantenpunkts nach Anregung mit Hilfe eines frequenz-modulierten ("gechirpten") Laserpulses.


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Abb. 2: Struktur eines Arrays zweier so genannter Spin-Torque-Nano-Oszillatoren und die Ergebnisse einer mikromagnetischen Simulation der Spinwellenausbreitung in dem die Oszillatoren verbindenden dünnen ferromagnetischen Film.


CHRISTIAN MÜCK-LICHTENFELD - Chemie, Organische Chemie:

(under construction)


JOHANNES NEUGEBAUER - Chemie, Organische Chemie:

Theoretische Chemie

  • Subsystem- und Einbettungsansätze in (zeitabhängiger) Dichtefunktionaltheorie
  • Wellenfunktion/DFT-Einbettungsschemata
  • Selektive Algorithmen für theoretische elektronische, vibronische und Schwingungsspektroskopie
  • Quantenchemische Methoden für Photosynthetische Systeme
  • Computerchemische Untersuchungen über Struktur, Eigenschaften und Reaktivität organischer Verbindungen
Fmo 1n

MARIO OHLBERGER - Mathematik, Angewandte Mathematik Münster:

Mehrskalenmodellierung und Modellreduktion für große dynamische Systeme


Die Modellierung physikalischer, chemischer, biologischer oder technischer Anwendungen sowie die Modellierung von Umweltproblemen führen häufig auf sehr große und mehrskalige dynamische Systeme. Typische Beispiele in der Elektrochemie sind z.B. die Modellierung von Brennstoffzellen und Batterien. Für Mehrskalenprozesse konzentrieren wir uns auf die Herleitung effizienter numerischer Methoden, die in der Lage sind das meso- oder makroskopische Verhalten des Systems zu beschreiben, ohne jedoch den Einfluss der zugrunde liegenden Prozesse, die auf einer wesentlich kleiner Skala stattfinden, zu vernachlässigen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Modellreduktion für parametrisierte großskalige Systeme. Obwohl die zugrunde liegenden Systeme sehr hoch-dimensional oder sogar unendlich-dimensional sein können, bilden die parameterabhängigen Lösungstrajektorien oft eine kompakte und glatte niedrig-dimensionale Mannigfaltigkeit und beinhalten dadurch eine intrinsische Struktur zur Modellreduktion. Ein typischer Ansatz ist die sogenannte Reduzierte Basis Methode, bei der ein niedrig-dimensionaler linearer Näherungsraum mit nahezu optimalen Approximationseigenschaften bezüglich der gegebenen Lösungsmannigfaltigkeit konstruiert wird.


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Abb. 1: Detailierte Simulation des Modells einer Li-Ionen-Batterie mit der Software DUNE auf einer 48mm x 24mm x 24mm Rechendomain mit zufällig generierter Elektroden-geometrie. Li+-Konzentration in den aktiven Partikeln farbig kodiert (Elektrolyt ausgeblendet). [Simulation: Stephan Rave im Rahmen des BMBF-Projektes MULTIBAT, No. 05M13PMA, Applied Mathematics Münster, 2014.]


DORIS REITER - Physik, Festkörpertheorie:

Mit Hilfe theoretischer Modelle und Computer-gestützter Simulationen beschäftigen wir uns mit Dynamik auf ultrakurzen Zeit- und Längenskalen. Im Mittelpunkt steht die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala. Wir betrachten dabei sowohl Strukturen aus Halbleiter-Materialien, vor allem so genannte Quantenpunkte, als auch metallische Strukturen, welche plasmonische Resonanzen aufweisen. Unsere Forschungsschwerpunkte sind:

  • Ladungsträger-Dynamik in ultradünnen Halbleitern
  • Phonon-Effekte in optisch angeregten Halbleiter-Quantenpunkten
  • Wechselwirkung von Nanostrukturen mit komplexen Lichtfeldern
  • Kontrolle von Licht durch Nanostrukturen
Fmo 1n

MICHAEL ROHLFING - Physik, Festkörpertheorie:

Ab−initio Zugang zur Struktur und zum elektronischen und optischen Spektren niederdimensionaler Systeme

(under construction)



OLIVER RUBNER - Chemie, Physikalische Chemie:

(under construction)



ERNST-ULRICH WÜRTHWEIN - Chemie, Organische Chemie - Experiment und Theorie

Computational Chemistry

  • Reaktionsmechanismen (Intermediate, Übergangszustände)
  • Ungewöhnilche Elektronenstrukturen (z.B. leitfähige Polymere)
  • Flexible organische Moleküle (flache Energiehyperflächen)
  • Theoretische Untersuchung spektroskopischer Eigenschaften (IR, NMR, U
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VLAD COJOCARU - MPI für Molekulare Biomedizin (assoziiertes Mitglied):

Strukturbiologie am Computer

  • Strukturelle Basis für Stammzell-Pluripotenz
  • Molekulare Simulationen von Protein/Nukleinsäure-Erkennung
  • Kooperative DNA-Erkennung, die kombinatorische Muster der Transkriptionsregulation ermöglicht
  • Faltung der Transkriptionsfaktoren und ihre Bedeutung für die DNA-Erkennung
  • Modellierung und Simulation der Transkriptionsfaktor/Nukleosom-Erkennung
  • Klassische atomistische molekulardynamische Simulationen
  • Enhanced sampling Simulationen und Berechnungen der Freien Energie
  • Coarse grained und Multiskalen-molekulardynamische Simulationen

CLAUDIA FILIPPI - University of Twente, Enschede / Niederlande (assoziiertes Mitglied):

Elektronenstrukturtheorie

  • Entwicklung von Quanten-Monte-Carlo-Methoden
  • Multiskalen-Modellierung komplexer Systeme (z.B. Chromophore in Proteinen oder Moleküle in Lösung)
  • Entwicklung von CHAMP - Cornell-Holland Ab-initio Materials Package, einem Quanten-Monte-Carlo-Programm zur Berechnung der Elektronenstruktur von Atomen, Molekülen und Festkörpern
  • Lichtempfindliche Proteine

Filippi-rhodopsin


MARK WALLER - Shanghai University / China, Theoretische Chemie (assoziiertes Mitglied):

Multiskalenmodellierung komplexer molekularer Systeme

  • Ansätze für adaptives QM/MM
  • Nicht-lokale Metaoptimierungsalgorithmen
  • verteilte Rechenstrukturen
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