Forschungsförderung durch ERC-Grant

Vom Quasiteilchen zur hochsensiblen Sensorik

Im Rahmen des Projekts Quem-Chem sollen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie untersucht werden, um mit den dadurch gewonnenen Erkenntnissen u.a. hochempfindliche Sensoren entwickeln zu können. Im Mittelpunkt der jetzt mit einem ERC-Grant geförderten Arbeiten stehen Molekül-Plasmon-Hybrid-Systeme.

Die Jenaer Chemikerin Prof. Dr. Stefanie Gräfe ist mit einem ERC Grant ausgezeichnet worden. Dieser ermöglicht ihr nun, zeit- und raumaufgelöste, ultraschnelle Dynamiken in Molekül-Plasmon-Hybrid-Systemen zu untersuchen. (Foto: Jan-Peter Kasper/FSU)  

Wer in der Wissenschaft fundamentale Fragen klären und dadurch neue Theorien entwickeln will, braucht dafür einen langen Atem und die notwendigen Mittel. Zeit kann auch die EU nicht schenken, aber der Europäische Forschungsrat (ERC) hat jetzt eine seiner höchstdotierten Auszeichnungen, einen sog. Consolidator Grant, an Prof. Dr. Stefanie Gräfe von der Universität Jena vergeben. Die Professorin für Theoretische Chemie ist die erste Frau an der Uni Jena, die diesen raren Forschungsförderpreis erhält. Mit den rd. 1,9 Mio. Euro will sie acht Stellen für Nachwuchskräfte einrichten, um im Bereich der nichtlinearen Optik neue Erkenntnisse zu erlangen. Sie erhält den Förderpreis für ihr Projekt Quem-Chem, in dem u.a. das Zusammenspiel von Quantenmechanik und Elektromagnetismus untersucht werden soll.

Ziel für die nächsten fünf Jahre ist es, zunächst Grundlagen und neue Theorien zu schaffen, um dann deren Anwendungen – beispielsweise eine hochsensible Molekülsensorik – zu entwickeln. „Bei der Anwendung der neuen Erkenntnisse geht es auch darum, etwas zu entwickeln, das nicht nur im Labor unter Sonderbedingungen funktioniert, sondern für die weitere Grundlagen- aber auch angewandte Forschung verwendbar ist“, sagt die 38-jährige Jenaer Wissenschaftlerin. Auch wenn Prof. Gräfe zunächst einmal hofft, in fünf Jahren chirale Moleküle, wie sie z.B. in Contergan vorkamen, detektieren und klassifizieren zu können, so schweben ihr noch weitere mögliche Anwendungen vor – etwa zur Verbesserung der Spektroskopie, der Bio- und Nanophotonik oder auch der Sensorik.

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Hintergrund

Wenn Licht auf Materie trifft, kommt es zu Wechselwirkungen. Bei metallischen Nanoteilchen gibt es noch eine Besonderheit: Die Dichte der Ladungsträger im Metall kann nach Lichteinfall schwingen, so dass Physiker von plasmonischen Quasiteilchen reden. Dies führt zu Lichtverstärkung. Je kleiner das Nanoteilchen ist, umso größer ist die Lichtverstärkung. Stefanie Gräfe und ihr Team wollen im neuen Projekt Quem-Chem im Nanobereich fundamentale Fragen untersuchen, was nach Lichteinwirkung auf den Grenzflächen zwischen metallischem Festkörper und Molekülen passiert. „Dazu gibt es bislang keine stimmige Theorie“, sagt die Expertin – und will genau dies ändern.

Die neuen Forschungen in Gräfes Arbeitsgruppe beginnen vor allem als Simulation im Computer. Ziel ist es zunächst, die plasmonische Dynamik, also die Licht-induzierten Bewegungen der Elektronen im Metall, zu berechnen. Zudem soll mit Hilfe quantenchemischer Methoden die Molekülstruktur berechnet werden. Anschließend will man diese beiden unterschiedlichen Methoden miteinander verbinden. Dies ermöglicht es beispielsweise, chemische Reaktionsmechanismen von Licht und dem Metall-Molekül-System aufzuklären. Für diese sog. Plasmon-Katalyse möchte die Jenaer Wissenschaftlerin mit der benachbarten experimentell arbeitenden Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Volker Deckert zusammenarbeiten, um die entwickelte Theorie direkt mit der Praxis vergleichen zu können.

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