Contents
- 1. Arbeitsgruppe Prof. Dr. Nikos Doltsinis – Theorie funktionaler Nanostrukturen
- 2. Arbeitsgruppe Prof. Dr. Tilmann Kuhn – Ladungsträgerdynamik in Halbleitern
- 3. Arbeitsgruppe Jun-Prof. Dr. Doris Reiter – Ultraschnelle Optik in nanostrukturierten Festkörpern
- 4. Arbeitsgruppe Prof. Dr. Michael Rohlfing/Prof. Dr. Peter Krüger – Elektronenstrukturtheorie
Institut für Festkörpertheorie
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Nikos Doltsinis – Theorie funktionaler Nanostrukturen
Das Forschungsgebiet unserer Arbeitsgruppe sind Computersimulationen der Dynamik von Molekülen in der kondensierten Phase, also in Flüssigkeiten, Clustern und Festkörpern. Dabei werden verschiedene Methoden mit unterschiedlicher Genauigkeit eingesetzt - von hochgenauen quantenmechanischen Verfahren bis hin zu klassischen semiempirischen Methoden. Deren Verknüpfung im Rahmen von Multiskalenmodellen ermöglicht die Simulation physikalischer Prozesse über mehrere Größenordnungen auf der Längen- und Zeitskala.
Wir sind sowohl in der Entwicklung neuer Simulationsmethoden also auch in deren Anwendung auf aktuelle Fragestellungen aus der Physik und angrenzenden Fachbereichen aktiv. Themen für Bachelor- und Masterarbeiten stehen derzeit in den Bereichen "Beschleunigungsverfahren für Molekulardynamiksimulationen", "Lichtgesteuerte Materialien", "Molekulare Elektronik" und "Strukturanalyse weicher Materie mittels Atomsondentomographie" zur Verfügung.
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Tilmann Kuhn – Ladungsträgerdynamik in Halbleitern
Den Schwerpunkt der Arbeiten in der Arbeitsgruppe bildet die theoretische Untersuchung und Simulation der Dynamik von optisch oder elektrisch angeregten Ladungsträgern in modernen Halbleiter-Nanostrukturen wie z.B. Halbleiter-Quantenpunkten, aber auch in anderen Festkörpermaterialien wie Supraleitern oder dünnen ferromagnetischen Filmen. Ausgangspunkt ist in der Regel ein mikroskopisches, quantenmechanisches Modell für das zu untersuchende System einschließlich der optischen oder elektrischen Anregung. Im Rahmen dieses Modells werden dann die Bewegungsgleichungen der interessierenden physikalischen Größen aufgestellt und diese, je nach System, entweder analytisch oder numerisch gelöst. Da es sich in den meisten Fällen um wechselwirkende Vielteilchensysteme handelt, müssen dabei geeignete Näherungsverfahren entwickelt und angewendet weden.
Themen für Bachelorarbeiten ergeben sich häufig im Umfeld der in der Arbeitsgruppe untersuchten Systeme. Durch die Anbindung an aktuelle Master- und Doktorarbeiten wird eine enge Zusammenarbeit mit den Mitgliedern der Arbeitsgruppe ermöglicht. Beispiele für in den vergangenen Jahren erfolgreich abgeschlossene Bachelorarbeiten sind die Berechnung von elektronischen Zuständen und Anregungen in Halbleiter-Quantenpunkten oder die Untersuchung der kohärenten Dynamik und der zeitabhängigen optischen Spektren in reduzierten Modellsystemen. Konkret handelte es sich dabei im ersten Fall um die näherungsweise Lösung der zeitunabhängigen Schrödingergleichung entweder durch das Variationsverfahren oder durch Diagonalisierung in einem endlich-dimensionalen Teilraum, während im zweiten Fall die zeitabhängige Schrödingergleichung oder die Liouville-von Neumanngleichung gelöst wurde. Dabei kommen sowohl analytische als auch numerische Methoden zum Einsatz.
Arbeitsgruppe Jun-Prof. Dr. Doris Reiter – Ultraschnelle Optik in nanostrukturierten Festkörpern
Durch moderne Technik ist es heutzutage möglich, Strukturen im Größenbereich von wenigen Nanometern herzustellen, d.h. es passen tausende dieser Nano-Strukturen in den Durchmesser eines Haares. Für die Bewegung der Teilchen in diesen Strukturen ist eine billionstel Sekunde, also eine Pikosekunde, schon eine kleine Ewigkeit. Auf diesen extremen Skalen entstehen völlig neue Effekte im Vergleich zu dem, was wir aus unserem Alltag kennen, denn dort dominiert die Quantenphysik. Diese Effekte kann man mit Laserpulsen untersuchen und sogar die Dynamik in den Nanostrukturen steuern. Um sie zu verstehen, bedarf es einer theoretischen Beschreibung und Computer-gestützter Simulationen, was den Schwerpunkt unserer Arbeiten darstellt. Wir betrachten dabei sowohl Strukturen aus Halbleiter-Materialien, vor allem so genannte Quantenpunkte, als auch metallische Strukturen, die wie Antennen für sichtbares Licht wirken. Durch die Simulationen kann man vorhersagen, wie die Dynamik kontrolliert werden kann, was von entscheidender Bedeutung für Anwendungen im Bereich der Quanteninformationstechnologie ist.
www.uni-muenster.de/Physik.FT/Forschung/agreiter/
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Michael Rohlfing/Prof. Dr. Peter Krüger – Elektronenstrukturtheorie
Ein wesentliches Ziel der modernen Festkörperphysik ist es, ein möglichst grundlegendes Verständnis der kondensierten Materie auf atomarer Skala zu erlangen. Fortschritte auf dem Weg zu diesem Ziel sind zum Beispiel für die Halbleitertechnologie von entscheidender Bedeutung. So kann eine weitergehende Miniaturisierung von Strukturen für die Nanotechnologie nur dann erfolgreich sein, wenn man weiß, wie individuelle Atome auf der Nanometerskala miteinander wechselwirken und dabei optimale Bindungskonfigurationen an Oberflächen und Grenzflächen einnehmen. Auf Grund von veränderten Bindungsumgebungen können sich zum Beispiel Elektronen an Oberflächen ganz anders verhalten als in Volumenkristallen und charakteristisch neuartige Zustände einnehmen. Zur physikalischen Beschreibung von Oberflächen und Nanostrukturen bedarf es der Anwendung der fundamentalen Gesetze der Quantenmechanik und Quantenstatistik. Die daraus resultierenden notwendigen Berechnungen basieren auf ersten Prinzipien und werden im Rahmen der sogenannten ab-initio Theorie durchgeführt. Wegen der Komplexität der zu studierenden Systeme benötigt man dabei anspruchsvolle und pfiffige Methoden sowie leistungsfähige Computerprogramme.
Die Arbeitsgruppe ist zum einen in die Entwicklung derartiger Methoden involviert. Zum anderen wendet sie die entwickelten Formalismen numerisch an, um die strukturellen, elektronischen, optischen, vibronischen und magnetischen Eigenschaften von Festkörpern und ihren Oberflächen zu berechnen. Die Ergebnisse derartiger Arbeiten dienen u. a. der quantitativen Interpretation von Daten hochauflösender experimenteller Oberflächenuntersuchungen, wie z. B. der direkten und inversen Photoemission oder der Rastertunnelmikroskopie. Aktuelle Themen der Arbeitsgruppe sind u. a. die mikroskopische Theorie reiner und adsorbatbedeckter Halbleiteroberflächen, die Berechnung der magnetischen Eigenschaften von Metallschichten auf Halbleiteroberflächen, die Simulation von Bildern der Rastertunnelmikroskopie, die ab-initio Untersuchung des ballistischen Transports von Elektronen in Metall-Halbleiter-Hybridsystemen und die Berechnung der optischen Eigenschaften von Festkörpern im Rahmen der Vielteilchenstörungstheorie. Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Bestimmung des elektronischen Spektrums von Systemen mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung. Dazu zählen insbesondere dimensionsreduzierte Festkörper mit einer großen Rashba-Aufspaltung der elektronischen Zustände und topologische Isolatoren.
Bachelorarbeiten, die in der Arbeitsgruppe angefertigt worden sind, hatten u.a. folgende Themen: "Ab-initio Berechnung der Kraft auf die Tunnelspitze in einem Rasterkraftmikroskop", "Untersuchung der Transmission durch Modellpotentiale", "Berechnung der Schwingungseigenschaften von Kohlenstoff Allotropen", und "Theoretische Untersuchungen der Spin-Bahn-Kopplung bei adsorbatbedeckten Halbleiteroberflächen".