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Mit vielerlei Methoden lassen sich heute Strukturen herstellen und untersuchen, die nur einige zehn bis hundert Nanometer groß sind. Selbst bei Zimmertemperatur werden dann Quanteneffekte wichtig und müssen bei der theoretischen Beschreibung berücksichtigt werden. Für Strukturen kleiner als die Lichtwellenlänge können außerdem geometrische Optik und Wellen-Optik nicht ohne weiteres angewendet werden. Vielmehr müssen evaneszente Nahfelder explizit berücksichtigt werden. Selbst die uns aus dem Alltagsleben vertraute Mechanik führt zu überraschenden Ergebnissen, wenn etwa Nano-Stimmgabeln im GHz-Bereich schwingen.

Im Fachgebiet Theoretische Physik I werden vor allem optische Eigenschaften metallischer und halbleiterbasierter Nanostrukturen studiert, wie sie mittels Nahfeldmikroskopie (SNOM) untersucht werden können. Dabei geht es im wesentliche um in Quantengräben eingeschlossene Exzitonen, Biexcitonen und Plasmonen. Neben dem Einschluss durch den Wechsel des Materials in senkrechter Richtung (z.B. AlGaAs/GaAs/ALGaAs) erfolgt auf Grund der schwankenden Breite des Quantengrabens auch eine laterale Lokalisierung der Anregungen (Andersonlokalisierung).

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Wir setzen quantenchemische Methoden wie zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie, selbstkonsistente Hartree-Fock-Rechnungen unter Einbeziehng der Konfigurationswechselwirkung, semiempierische und Multireferenz-Verfahren ein zur Berechnung von organischen Halbleitern wie konjugierten Polymeren, Molekülstapeln mit überlappenden π-Orbitalen, Dendrimeren, Fulleren und deren Derivaten sowie Kohlenstoffnanoröhren. Besonders interessiert uns dabei ihre Eignung als Materialien für organische Solarzellen. Hier arbeiten wir eng mit dem Fachgebiet Experimentalphysik I zusammen.

Zur Simulation der Molekularstruktur und -dynamik setzen wir bei uns und im Fachgebiet Theoretische Physik II weiterentwickelte Programme ein, die z.T. auf quantenchemisch berechneten Potentialen für die Mono- und Oligomere basieren. So lässt sich z.B. aus der Torsion des Biphenyl  z.B. die Struktur von Polyparaphenylenen ableiten.

Ein weiteres wichtiges Problem im Zusammenhang mit organischen Halbleitern, das wir untersuchen, ist der Ladungstransport und -transfer (s. Abbildung).

W. J. D. Beenken, Excitons in conjugated polymers: Do we need a paradigma change? 
pss(a) 206 (2009) 2750

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Organische ionische Flüssigkeiten sind neuartige Materialien mit erstaunlichen Eigenschaften. Von ihren elektrischen Eigenschaften anorganischen Salzschmelzen vergleichbar sind sie dennoch bei Raumtemperatur flüssig. Dabei haben sie aber einen so geringen Dampfdruck, dass sie auch im Ultrahochvakuum nicht verdampfen, was sie in diesem UHV Bereich als Schmiermittel qualifiziert.

Um die grundlegenden Eigenschaften Ionischer Flüssigkeiten besser zu verstehen führen wir quantenchemische Rechnungen für die einzelnen Ionen als auch für dimerische Komplexe aus Kation und Anion (siehe Abbildung rechts) durch. Aus diesen Rechnung lassen sich elementspezifische Zustandsdichten bestimmen, die herangezogen werden können um Photoelektronenspektren (XPS, UPS und MIES ) zu interpretieren. Hier arbeiten wir intensiv mit der Forschergruppe Oberflächenphysik funktioneller Nanostrukturen zusammen.

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Die metastabileninduzierte Elektronen-Spektroskopie (MIES) erlaubt eine extrem oberflächensensitive elektronische Charakterisierung von flüssigen und festen Oberflächen mittels der Abregung metastabiler Edelgasatome. Wir haben einen quantenchemischen Zugang zur ab initio Berechnung von MIES-Spektren entwickelt, der über vorhergehende Ansätze, z.B. von Kantorovich et al. [1] hinausgeht. Im Gegensatz zu diesen die  Anisotropy of the MIES-Spektren nicht nur in Bezug auf die Einfallsrichtung der metastabilen Heliumatome sondern auch der Richtung der Elektrondetektion wiedergibt. Da wir beides in unserer Simulation vorgeben können, sind wir in der Lage MIES-Spektren für beliebige experimentelle Setups zu rekonstruieren.

Vorerst beschränkt sich unsere Methode auf die Berechnung von MIES-Spektren von auf festen Oberflächen physiosorbierten Molekülen, bei denen die direkte Augerabregung (AD-Prozess) überwiegt. Wir wollen aber die Methode in enger Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Technische Physik 1 (Prof. Krischok ) weiterentwickeln.

[1] L.N. Kantorovich, A.L. Shluger, P.V. Sushko, A.M. Stoneham, "The prediction of metastable impact electronic spectra (MIES): perfect and defective MgO(001) surfaces by state-of-the-art methods," Surface Science444, 31 (2000).

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Dendrimere sind hochmolekulare organische oder inorganische Verbindungen die im Gegensatz zu Polymeren aus sich immer weiter verzweigenden Ketten (Dendrone) um einen Kern bestehen.

Unsere Forschungsaktivität konzentriert sich auf die Berechung der Struktur und optischen Eingenschaften von Dendrimeren, bei denen von einem tetrapyrrolischen Kern, z.B. ein Porphyrin oder Corrol, Dendrone aus konjugierter organischen Molekülen ausgehen. Da sowohl die Dendrone als auch der Kern des Dendrimers ein ausdgedehntes π-Elektronensystem besitzen, absorbieren und emittieren beide Licht im sichtbaren Spektralbereich. Überlappen ihre Spektren, so kommt es zur exzitonischen Wechselwirkung zwischen Dendronen und Kern, was entweder zum Anregungsenergietransfer (schwache Kopplung), der eine Löschung der kürzerwelligen Fluoreszenzbande im gemeinsamen Emissionsspektrum bewirkt, oder zur Delokalisierung der Anregung (starke Kopplung) mit spektralen Verschiebungen der Absorptionsbanden führt. Da die Stärke der exzitonischen Kopplung von der Position des Dendrons relativ zum Kern (Abstand und Orientierung) abhängt, kann mittels spektroskopischen Methoden die Konformation des Dendrimers bestimmt werden, welche sich durch Änderung der chemisch-physikalischen Umgebung manipulieren läßt. 

Dendrimere sind somit, insbesondere durch Einsatz von funktionalen, umgebungssensitiven Gruppen an den Enden der Dendronen, auch als Umweltdetektoren einsetzbar. Um allerdings den Zusammenhang zwischen Dendrimerkonformation und -spektrum möglichst schon im Vorfeld einer Synthese eines so komplexen Moleküls zu bestimmen, sind umfangreiche quantenchemische Berechungen, wie wir sie durchführen äußerst hilfreich. Dabei können wir auf langjährige Erfahrung im Berechnen der exzitonischen Kopplung in konjugierten Polymeren zurückgreifen. 

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Jeder von uns hat schon einmal die Erfahrung gemacht, dass man sich in der Masse anders verhält als wenn man auf sich selbst gestellt ist. Das gilt auch für Elektronen beispielsweise im Festkörper. So wie die l'ola in einem Stadium sich nur in einem System vieler Personen etablieren kann, gibt es auch in der Theorie der kondensierten Materie Effekte, die sich erst in einem Vielteilchensystem manifestieren. Quantentheoretisch gesehen führen diese zu neuen sogenannten Quasiteilchen, die effektive Massen und Ladungen haben, welche erheblich von denen der ihnen zugrunde liegenden Teilchen abweichen. Es können sogar völlig neuartige Quasiteilchen auftreten, die keinerlei Entsprechung unter den Elementarteichen besitzen.

Mitarbeiter des Fachgebiet Theoretische Physik I haben zu vielen Aspekten der Vielteilchen-Physik beigetragen:

• So wurde z.B. die extreme Zunahme der effektiven Masse hochkorrelierten Elektronen in f-Bändern untersucht, die zur Lokalisierung der Ladungsträger führt, analog dem kleinen Polaron. Zur Berechnung dieser Schwerfermionensysteme genannten Materialien werden im Rahmen renormierter Bandstrukturrechnungen konventionelle LDA-Programme mit speziellen Ansätzen für die Selbstenergie der hochkorrelierten f-Elektronen kombiniert.
• Motiviert durch die Kristallstruktur der Schwerfermionenverbindung LiV₂O₄ (s. Abbildung), wurde  ein weiteres aufregendes Phänomen theoretisch vorrausgesagt: Quasiteilchen mit halbzahliger effektiver Ladung in frustrierten Systemen. Im Grenzfall großer gegenseitiger Abstoßung gilt in solchen Systemen die Verwey-Anderson-Tetraeder-Regel, die besagt, dass jeweils nur zwei Elektronen pro Tetraeder, welche die Eckplätze besetzen, ein halbgefülltes Band bilden. In diesem ist die Bewegung der Elektronen jedoch durch die genannte Regel so hoch korreliert, dass sie effektiv als die Bewegung von Quasiteilchen mit halbzahliger Ladung erscheint.
• Von besonderem Intersse im Zusammenhang mit nanostrukturierten, amorphen und organischen Halbleitern ist die Beschreibung ihrer Transporteigenschaften z. B. mittels Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen.
• Daneben beschäftigen wir uns mit Grundsatzfragen der Dichtefunktionaltheorie und der Weiterentwicklung numerischer Methoden in der Vielteilchenphysik.

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