Physical Institute

Working group Prof. Dr. Heinrich F. Arlinghaus – Mass spectrometry and surface physics

Illustration Arlinghaus

Durch den Beschuss mit Ionen werden aus einer Festkörperoberfläche atomare und molekulare Bestandteile als Sekundärteilchen freigesetzt. Die dabei entstehenden Sekundärionen sowie durch Laserstrahlung nachionisierte Sekundärneutralteilchen können anschließend in einem Flugzeit-Massenspektrometer getrennt und identifiziert werden (s. schematische Abbildung). Mit Hilfe der sogenannten Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) und der Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie mit Lasernachionisierung (Laser-SNMS) lässt sich die chemische Zusammensetzung der unterschiedlichsten Festkörperoberflächen in allen drei Raumrichtungen mit Ortsauflösungen im Nanometerbereich bestimmen.

In unserer Arbeitsgruppe werden mit Hilfe dieser oberflächenanalytischen Verfahren Grundlagen zum Zerstäubungs- und Ionisationsprozess sowie Fragestellungen aus den Bereichen Life Sciences und Nanotechnologie bearbeitet. Mit derzeit vier Analyseapparaturen gehört diese Abteilung zu den weltweit größten universitären Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Sekundärteilchen-Massenspektrometrie.
Die Ausbildung von Studierenden und die damit verbundene Anfertigung von Bachelor- und Masterarbeiten sowie von Dissertationen erfolgt im Rahmen aktueller Schwerpunkte unserer Forschungsaktivitäten, die im Folgenden kurz vorgestellt werden.

Grundlagen zum Zerstäubungs- und Ionisationsprozess

Bei dem Zerstäubungsprozess wird ein großer Teil des aus der Probe zerstäubten Materials in Form von Neutralteilchen desorbiert, die vom Massenspektrometer nicht erfasst werden können. Diese Neutralteilchen können mit einem Laser (Laser-SNMS) (nach-)ionisiert werden, um so die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen, die für die Untersuchung von Strukturen im Nanometerbereich und den Nachweis von Stoffen mit niedriger Konzentration unerlässlich ist. Um die Nachweiswahrscheinlichkeit zu maximieren, müssen Parameter wie z.B. Laserwellenlänge, Laserenergie, Laserionisationsvolumen, Ionisationssättigung und Timing Schemata optimiert werden.
Neben der Laser-SNMS ist die Matrix-Enhanced Sekundärionen-Massenspektrometrie (ME-SIMS) ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Ionisation in organischen und biologischen Systemen. Bei der ME-SIMS werden die Proben mit einer ultradünnen Schicht einer organischen Verbindung beschichtet, welche die Ionisierung der Zielmoleküle erhöht. Obwohl bei der ME-SIMS höhere Nachweiswahrscheinlichkeiten zu beobachten sind, sind die Grundlagen nicht gut verstanden und die Ergebnisse fallen oft sehr unterschiedlich aus. Unser Fokus liegt daher auf der Erforschung von Parametern, die zu einer Erhöhung der Nachweiswahrscheinlichkeit durch die Matrix führen, wie z.B. der Optimierung von Methoden zum Auftragen der Matrix, der Erforschung des Einflusses von Temperatur und Feuchtigkeit, der Untersuchung des Massentransports von Analyten in der Matrix und der Variation der chemischen Strukturen der Matrix und des Analyten. Mögliche Bachelor- und Masterarbeiten umfassen die Entwicklung von Standard-Probensystemen unter Verwendung von Nanostrukturierung, das Testen neuer Matrixverbindungen und Analyten, die Durchführung von zeit-, temperatur- und / oder feuchtigkeitskontrollierten Studien zum Stofftransport von Analyten oder die Weiterentwicklung von Anlagen zur Beschichtung und Probenvorbereitung.

Life Sciences/Nanotechnologie

Wie am Beispiel der derzeitigen Diskussion um die potentielle Toxizität von Nanopartikeln oder bei der Neuentwicklung von Krebstherapeutika deutlich wird, gewinnt für die medizinische Forschung die Lokalisierung spezifischer Elemente und Moleküle mit hoher räumlicher Auflösung sowie hoher Sensitivität und Effizienz in Geweben und Zellen zusehends an Bedeutung. Hierfür ist insbesondere die Kombination der oben erwähnten Analyseverfahren zielführend.
Arbeitsschwerpunkte für mögliche Abschlussarbeiten sind hier die Entwicklung geeigneter Präparationsmethoden biologischer Probensysteme, die Weiterentwicklung von Geräten sowie die Optimierung der Analysebedingungen, Datenauswertung und Interpretation.


Weitere Informationen erhalten Sie auf unserer Internetseite oder bei einem persönlichen Gespräch mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Arbeitsgruppe (Gebäude IG I, 4. Stock, Nordseite). Tiefer gehende Einblicke bekommen Sie auch bei einem „Schnuppertag“ in unseren Laboren in der 4. Etage der IG I. Um das für Sie passende Thema zu finden, kontaktieren Sie bitte Prof. Heinrich Arlinghaus arlinghaus@wwu.de; (0251) 83-39064.

Working group Prof. Dr. Markus Donath – Spin phenomena in low-D systems

Mit dem Spin zur effizienten Elektronik: Spinabhängige elektronische Struktur magnetischer Nanosysteme und niederdimensionaler Systeme

© WWU - Peter Leßmann

Der Spin ist der Eigendrehimpuls des Elektrons, er ist unter anderem für den Magnetismus verantwortlich. Derzeit spielen magnetische Phänomene in großen Bereichen der Informationstechnologie eine bedeutende Rolle. So dienen magnetische Schichten beispielsweise als Datenspeicher, magnetische Leseköpfe finden sich in den Festplatten handelsüblicher PCs und Laptops. Will man elektronische Bauteile energiesparender bauen, die Datendichte und die Geschwindigkeiten der Datenverarbeitung erhöhen, führt kein Weg an der Nanophysik vorbei. Für eine besonders effiziente Elektronik möchte man neben der elektrischen Ladung der Elektronen auch ihren Spin als Informationsträger nutzen. Diese neue Art der Informationsverarbeitung wird Spinelektronik oder kurz Spintronik genannt.

Unsere Arbeitsgruppe ist auf das Gebiet der spinaufgelösten Elektronenspektroskopien spezialisiert. Wir sind Phänomenen auf der Spur, mit deren Hilfe man die mikroskopischen Eigenschaften des Spins auf makroskopischer Skala ausnutzen kann. Auf diese Weise eröffnen sich Wege für neue Anwendungen in der Informationsverarbeitung.

Auch in unmagnetischen Materialien kann der Elektronenspin eine wichtige Rolle spielen. Hier stehen derzeit Oberflächenlegierungen im Zentrum des Interesses, bei denen schwere Elemente wie Bismut, Thallium oder Blei in die obersten Atomlagen von Metallen wie Kupfer oder Gold oder auch Halbleitern wie Silizium oder Germanium eingelagert sind. Dabei „spüren“ die Elektronen, dass sich auf der einen Seite ein fester Köper, auf der anderen Seite Vakuum befindet. Dies kann zur Folge haben, dass die Ausrichtung des Elektronenspins direkt mit der Richtung des elektrischen Stroms verknüpft ist. Solch eine Eigenschaft verspricht Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Spintronik.

Aufwändige Methoden zur Präparation des Elektronenspins

© P. Eickholt et al., Phys. Rev. Lett. 121, 136402 (2018)

Experimente mit spinpolarisierten Elektronen erlauben einen direkten experimentellen Zugang zur spinabhängigen elektronischen Struktur magnetischer und unmagnetischer Systeme. Hierzu werden entweder spinpolarisierte Elektronen als Projektil benutzt oder die Spinpolarisation von der Probe emittierter Elektronen detektiert. Spinaufgelöste direkte und inverse Photoemission bieten Information über besetzte und unbesetzte Zustände. Beide Arten von Experimenten sind sehr aufwändig und werden daher weltweit in nur wenigen Gruppen durchgeführt. Methoden zur Präparation und Charakterisierung der Proben hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, kristallografischer Ordnung und magnetischer Eigenschaften komplettieren das Spektrum der in der Arbeitsgruppe vorhandenen Analytik.

Bei unseren Forschungen und Experimenten arbeiten wir eng mit anderen Forschergruppen im In- und Ausland, zum Beispiel aus der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Universität im japanischen Hiroshima zusammen. Finanziert werden die umfangreichen Arbeiten unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Themenvorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten finden Sie auf unserer Internetseite. Sie können uns auch gerne direkt kontaktieren (zum Beispiel per E-Mail markus.donath@uni-muenster.de) oder Sie kommen einfach vorbei: Gebäude IG I, 4. Stock, Nordseite. Alle Mitglieder der AG Donath geben gerne Auskunft.

Working group Prof. Dr. Wolfram Pernice – Responsive nanosystems

Quantum Optics illustration

Nanophotonik und integrierte Optik

Für optische Quantentechnologien und Präzisionsmessungen in der Metrologie werden in der Arbeitsgruppe nanophotonische Systeme entwickelt. Diese weisen Strukturgrößen weit unterhalb der optischen Wellenlänge auf und werden mit modernen Methoden der Nanostrukturierung wie der Elektronenstrahllithographie erzeugt.

Analog zu Leiterbahnen in der Elektronik übernehmen Wellenleiter die Verteilung optischer Signale auf Chipebene. Während mit solchen integrierten optischen System traditionell Anwendungen in der Telekommunikation und Datenverarbeitung untersucht werden, interessiert uns besonders der Übergang zur Optik mit einzelnen Photonen. Mit deren Hilfe lassen sich optische Quantencomputer und Quantensimulatoren realisieren. Die dafür notwendigen höchstempfindlichen Detektoren, Quellen und Manipulationsinstrumente werden mit Hilfe der Nanotechnologien im Reinraum gefertigt.

Zur Messung einzelner Photonen werden supraleitende Nanodrähte eingesetzt, die auf die Oberfläche von Wellenleitern integriert werden. Diese neue Art von Detektor bietet höchste Zeitauflösung und vernachlässigbares Rauschen. Besonders wichtig ist jedoch, dass mit unseren Möglichkeiten viele Detektoren in ein System integriert werden können, um damit eines der zentralen Probleme der Quantenoptik zu umgehen, nämlich die Skalierbarkeit. Mit diesen Detektoren werden fundamentale Einheiten optischer Quantenrechner realisiert und langfristig zu komplexen Systemen zusammengesetzt.

Opto-mechanics illustration
Optical memory illustration

Optomechanik

In freistehenden Wellenleitern nutzen wir aus, dass Photonen nicht nur Energie übertragen, sondern auch Impuls. In kleinsten Strukturen im Nanometerbereich reicht dieser aus, um mechanische Schwingungen auf Chipebene anzuregen. Auf diese Weise lassen sich mechanische Freiheitsgrade in traditionell passiven optischen Strukturen einsetzen, um Präzisionsmessungen durchzuführen oder durchstimmbare Elemente zu realisieren. Wir fertigen optomechanische Nanostrukturen aus neuen Materialien wie z. B. Diamant, um kleinste Bewegungen auf der Skala von Atomkernen aufzulösen. Anwendungen bieten sich in der Sensorik und Metrologie, aber auch für die Quantenphotonik.

Optische Speicher und neuromorphes Rechnen

In der Mehrzahl heutiger Rechner sind Prozessor und Speicher räumlich getrennt, sodass Daten kontinuierlich zwischen Speicher und CPU hin- und hertransferiert werden müssen. Dieser Transfer limitiert die tatsächliche Rechengeschwindigkeit und führt zum sogenannten von Neumann-Flaschenhals. Wir entwickeln alternative Rechenarchitekturen auf der Basis von nanophotonischen Schaltkreisen, in die Phasenübergangsmaterialien integriert werden. Mit solchen Strukturen lassen sich unter Verwendung kurzer Laserpulse beliebige Zustände optisch speichern und auslesen. Im Unterschied zu von Neumann-Rechnern wird jedoch die Datenspeicherung und -verarbeitung im selben Element durchgeführt. Indem mehrere Elemente zu Netzwerken verschaltet werden, lassen sich dadurch neue optische Rechner realisieren, die dem Gehirn nachempfunden sind. Wir entwickeln die optischen Nanostrukturen, Netzwerkarchitekturen und Manipulationstechniken, die dafür vonnöten sind.


In allen Themenbereichen bieten wir Bachelor- und Masterarbeiten an, die schwerpunktmäßig experimentell, aber auch theoretisch ausgelegt werden können. Wenn Sie sich dafür interessieren, können Sie jederzeit bei uns im CeNTech (Raum 2.15) vorbeikommen oder einfach eine E-Mail an wolfram.pernice@uni-muenster.de schicken.

Homepage AG Pernice

Arbeitsgruppe Jun.-Prof. Dr. Carsten Schuck-Integrierte Quantentechnologie

Die Vision der AG Schuck besteht darin eine Quantentechnologie-Plattform auf Silizium Chips zu entwickeln, die im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung, Quantenkommunikation und Quantensensorik zum Einsatz kommen soll. Dabei werden einzelne Photonen als quantenmechanische Informationsträger benutzt, die in nanophotonischen Strukturen auf Silizium Chips erzeugt, manipuliert und detektiert werden. Bei der Herstellung dieser Strukturen kommen modernste Nanofabrikationsmethoden zum Einsatz, die es zukünftig ermöglichen sollen fortschrittliche Quanteninformationsprozessoren zu realisieren, welche weit über die Kapazitäten heutiger Computer- und Sensorik-Systeme hinauszugehen. In der AG Schuck wird die Entwicklung einer solchen Plattform entlang dreier Forschungslinien verfolgt:

  • Quantenemitter
    Einerseits befassen sich aktuelle Projekte mit der Realisierung von Einzelphotonenquellen auf Basis von Defektzentren in Diamanten, einzelnen Moleküle oder nichtlineare Materialeffekte. Andererseits ist es Ziel effiziente Schnittstellen zwischen solchen Quantenemittern und nanophotonischen Netzwerken zu schaffen, welche beispielsweise als photonische Kristalle oder plasmonische Antennen für Licht implementiert werden können.

  • Nanophotonische Schaltungen
    Die Manipulation der quantenmechanischen Zustände von einzelnen Photonen auf einem Silizium Chip wird in nanophotonischen Elementen bewerkstelligt, die mittels Wellenleitern in einem Netzwerk miteinander verschaltet sind. Hier gibt es eine Vielzahl von Projekten in denen spezielle nanophotonische Bauelemente und Netzwerkstrukturen entwickelt werden, deren Design u.a. auf konvexen Optimierungsmethoden und dem Einsatz künstlicher Intelligenz beruht.

  • Einzelphotonendetektoren
    Um den quantenmechanischen Zustand eines einzelnen Photons zu bestimmen sind spezielle Detektoren nötig, welche hier als supraleitende Nanodrähte auf nanophotonischen Wellenleitern realisiert werden. Diese Detektoren erreichen sehr hohe Effizienz, sind sehr rauscharm und haben eine extrem hohe Zeitauflösung, was sie auch über Anwendungen in den Quantentechnologien hinaus sehr attraktiv macht (beispielsweise in der Biologie und Medizin).

© Jun.-Prof. Dr. Schuck

Wir bieten in allen drei Themenbereichen (Quantenemitter, Nanophotonik & Supraleitende Detektoren) Bachelor- und Masterarbeiten an. Unsere Gruppe ist methodisch auf numerische Simulationstechniken, Nanofabrikationsverfahren und experimentelle Laborarbeiten zur Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung quantentechnologischer Chips spezialisiert. Einige der von uns eingesetzten Methoden umfassen Fertigungsmethoden der Halbleiterindustrie, Nanocharakterisierungstechniken, Tieftemperaturphysik & Supraleitung, Vakuumphysik, Elektronik, Radiofrequenztechnik, High-Performance-Computing & Programmiertechniken (Python), Optik und natürlich Quantenphysik. Wir setzen nicht voraus, dass Sie dies alles schon können, sondern dass Sie Lust haben es zu mit uns zu lernen! In einigen Fällen bieten wir auch theoretische Arbeiten an, wie bspw. die Entwicklung von Quantenalgorithmen oder Projekte im Bereich Künstlicher Intelligenz. Da sich unsere Arbeiten immer der aktuellen Forschung anpassen, ändern sich mögliche Master- und Bachelorarbeitsthemen oft recht dynamisch und es ist am besten, wenn Sie uns einmal im Center for Nanotechnology (CeNTech) und Center for Soft Nanoscience (SoN) besuchen kommen und sich direkt vor Ort informieren. Zur Kontaktaufnahme schicken Sie eine E-Mail an

carsten.schuck@uni-muenster.de

Homepage AG Schuck

Research Group Professor Ursula Wurstbauer- Nanoelectronics

Die Arbeitsgruppe „Nanoelektronik“ des Physikalischen Institut an der WWU Münster wurde im Januar 2019 eingerichtet. Der Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der elektronischen, spin-elektronischen und optischen Eigenschaften von maßgeschneiderten festkörperbasierten (Quanten-)Nanosystemen und niedrigdimensionalen Ladungsträgersystemen. Erklärtes Ziel ist es grundlegenden Eigenschaften diese Systeme zu verstehen um diese dann durch externe Stimuli wie elektrische oder magnetische Felder, durch Beleuchtung oder Integration in elektronische Schaltkreise zu kontrollieren und gezielt zu modifizieren. Folgende Schwerpunkte werden hierbei bearbeitet:

© Prof. Dr. Wurstbauer

a) Photo-physikalische Eigenschaften von 2D Materialien und deren Heterostrukturen

In diesem Forschungszweig werden die photophysikalische Eigenschaften von neuen zweidimensionalen Materialien wie beispielsweise halbleitenden Übergangsmetalldichalcogenide wie z.B. MoS2 und WSe2 und entsprechenden Hetero- und Hybridstrukturen untersucht.

© Prof. Dr. Wurstbauer

b) Van der Waals Hetero- und Hybridstrukturen für die Energieumwandlung

Im Fokus dieser Forschungsrichtung ist die in-situ und in-operando Untersuchung der photo-physikalischen und materialspezifischen Eigenschaften von individuellen mikro- und nano-skaligen (photo-)katalytischen Systemen, im Besonderen von mikro-mechanisch hergestellten 2D Materialien und deren Hetero- und Hybridstrukturen.

© Prof. Dr. Wurstbauer

c) Exzitonische Ensembles

Exzitonen sind gebundene Elektron-Loch Paar, die durch die Coulomb-Wechselwirkungen zusammengehalten werden und aufgrund Ihrer ganzzahligen Spin-Quantenzahl auch „Composite-Bosonen“ genannt werden. Ensembles dieser Composite-Bosonen besitzen ein faszinierendes Vielteilchen (Quanten-) Phasendiagramm. Jedoch sind nicht nur die bosonischen Eigenschaften von Interesse, sondern insbesondere auch das Wechselspiel und der Dualismus zwischen bosonischen und fermionischen Eigenschaften.

d) Kollektives Verhalten und Wechselwirkungsphänomene

Mannigfaltige Wechselwirkungsphänomene wie z.B. Elektron-Elektron, Elektron-Phonon oder Phonon-Exziton sind maßgeblich an der Ausprägung viele physikalische Eigenschaften von kristallinen Festkörpern beteiligt. Bereits kleine Änderungen in den fundamentalen Wechselwirkungen kann in völlig verändertem Verhalten des Materials resultieren, wie zum Beispiel in magnetischen Ordnungsphänomene wie Ferromagnetismus, in einem Metall-Isolator Übergang, oder Ladungsordnungsphänomene wie z.B. der nematischer Ordnung von Elektronen.

© Prof. Dr. Wurstbauer

e) Methodik

Unser Ansatz die unterschiedlichen Forschungsfelder erfolgreich zu erforschen ist die Kombination aus resonanter inelastischer Lichtstreuung, Photolumineszenz-Spektroskopie, Ellipsometrie und (Magneto-)Transport Messungen auch bei tiefsten Temperaturen. Die Realisierung von elektronischen Schaltkreise, Feld-Effekt Strukturen sowie die Herstellung gezielter Strukturen auf der Nanometer und Mikrometer Skala werden in der „Münster Nanofabrication Facility (MFN)“ durchgeführt.

Homepage AG Wurstbauer

Working group Prof. Dr. Helmut Zacharias – Dynamics at interfaces

Illustration Zacharias

Dynamik an Grenzflächen

Dieser Forschungsbereich befasst sich mit physikalischen und chemischen Prozessen, die oberhalb, innerhalb und unterhalb von Grenzflächen stattfinden und von dieser Grenzfläche gesteuert werden. Ziel ist es, einen Beitrag zum Verständnis des Wie? und Warum? katalytischer Oberflächenreaktionen zu leisten. Die unmittelbare Nähe der Grenzfläche modifiziert die Kräfte innerhalb der Moleküle so sehr, dass Reaktionen ganz anders ablaufen, als wenn diese sich in der Gasphase oder in Lösung befinden. Um die Dynamik solcher Reaktionen zu verstehen, werden die Systeme optisch angeregt und die Beteiligung der verschiedenen internen Zustände der Moleküle (Rotation und Vibration) sowie ihre räumliche Ausrichtung während der Prozesse mittels gepulster, abstimmbarer Laserstrahlung studiert. Damit man diese sehr schnell ablaufenden Prozesse untersuchen kann, werden Laserpulse von extrem kurzer Dauer benötigt. Neue Lasertechnologien erlauben hierfür die Erzeugung von Pulsen im Bereich von 10–30 Femtosekunden (1 fs = 10-15s). Solche kurzen Pulsdauern gestatten es auch, die Relaxation und Kopplung elektronisch angeregter Zustände in Grenzflächen zu studieren.

Auf folgenden Gebieten wird in der AG Zacharias zurzeit geforscht

Spektroskopische Untersuchungen mittels Photoelektronen

  • Photoemission aus Graphen, Graphen-Nanoribbons und Silizium-Nanoribbons mittels Hoher Harmonischer Strahlung im Bereich von 20–120 eV und zeitaufgelöste Messung der Elektronendynamik durch Pump-Probe-Experimente: Kohlenstoff-Elektronik
  • Spintronik: Photoemission aus Monolagen chiraler Moleküle auf verschiedenen Substraten und Bestimmung von der Spin-Polarisation der Photoelektronen
  • Photoemission aus organischen Schichten mittels weicher, gepulster Röntgenstrahlung.
  • Untersuchung der inversen Photoemission an organischen Schichten

Laserdesorption

  • zur Simulation interstellarer photochemischer Prozesse im Rahmen des EU Projektes EUROPAH im Labor und am FLASH, DESY in Hamburg mittels gepulster XUV-Strahlung
  • von angeregten Gasmolekülen von Oberflächen, z.B. H2/D2 und Coronene von HOPG-Kristallen

Laserentwicklung: Strahlerzeugung und Anwendungen

  • Erzeugung von Harmonischen hoher Ordnung im XUV mit hochrepetierenden Faserlaserverstärkern (500 kHz)
  • Quasi-Phasenanpassung in strukturierten Plasmen
  • Forschung am FEL (Freier Elektronen Laser): Messung von Zweipuls-Korrelation am und mit einem Delaykorrelator am FLASH (DESY, Hamburg) sowie am European XFEL.
  • Entwicklung eines OPCPA (Optical Parametric Chirped-Pulse Amplifier)

Ansprechpartner: Prof. H. Zacharias
Homepage AG Zacharias