KVL / Klausuren / MAP 1.HS: 17.04  2.HS: 05.06  Zw.Sem.: 24.07  Beginn WS: 14.10

40576 Intermolekularer Coulomb-Elektroneneinfang in Quantenpunktpaaren  VVZ 

SE
Do 15-17
wöch. NEW 15 1'427 (24) Axel Molle
Lern- und Qualifikationsziele
Die Studenten sollen selbstständig unter Anleitung einen Forschungsprozess durchlaufen.
Das Ziel des QTeams soll die Erarbeitung von publikationsfähigen Daten und Abbildungen sein. Der gegebene Spielraum im Projektrahmen ermöglicht mehrere thematisch verknüpfte Artikel, sodass jeder Student seine gewählte Fragestellung und die gefundenen Erkenntnisse in einem eigenständigen Entwurf eines wissenschaftlichen Posters ausdrücken kann.
Die Studenten sind eingeladen an der Freigeist Fachtagung 2017 (voraussichtl. 25.-27. September am HZB) zum Thema „Dynamics of Energy Transfer on the Nanoscale“ kostenfrei teilzunehmen und ihre Ergebnisse auf internationaler Bühne als Poster zu präsentieren.
Voraussetzungen
Die angebotene Lehrveranstaltung ist ein QTeamprojekt des bologna.labs der HU. Dies bedeutet, dass es sich um ein Forschungsprojekt handelt, an dem interessierte Studentengruppen selbstständig unter Anleitung eines Wissenschaftlers Forschungsfragen erarbeiten und mit ausgewählten Methoden versuchen zu beantworten.
Mögliche Studienfächer: Da das hier vorgeschlagene QTeamprojekt aufgrund seiner Methodik und Fra-
gestellung interdisziplinär zu betrachten ist, sind Studenten folgender Fächer als Teilnehmer des QTeams
denkbar: Chemie, Physik, Mathematik, Informatik und Ingenieurswissenschaften. Obgleich eine Mischung aus Studenten unterschiedlicher Studienfächer ausdrücklich erwünscht wird um interdisziplinäre Synergien nutzbar zu machen, wird dennoch keines Studienfächer explizit benötigt um das Forschungsprojekt durchzuführen.
Benötigte Vorkenntnisse: Wenngleich das studierte Fach der einzelnen Teilnehmer nicht von näherer
Bedeutung ist, so wird doch ein physikalisches und mathematisches Grundverständnis benötigt um mit dem
numerischen Gedankenexperiment umgehen zu können. Das Programmpaket zur quantenmechanischen Simu-
lation wird hauptsächlich auf Unix-Systemen mithilfe von Unix-Shells gesteuert. Tiefgreifende Erfahrungen werden diesbezüglich nicht benötigt, jedoch wird vorausgesetzt, dass die Studenten keine Berührungsängste mit Unix/Linux mitbringen. Grundkenntnisse in Programmiersprachen (Fortran/C) oder Skriptsprachen (awk/sh/bash) sind für das Verständnis der computergestützten Experimente vorteilhaft.
Beispiele möglicher Forschungsfragen
Mögliche Kerngebiete: Entsprechend der Expertise und Vorkenntnisse des Einzelnen werden sich unterschiedliche individuell differenzierte Forschungsfragen ergeben. Vorstellbare Richtungen, in denen sich die Studenten bewegen können, setzen gutes Verständnis in einem der folgenden Gebiete voraus:
Mathematisch-theoretisch: Langrange’sche und Hamilton’sche Mechanik, Symmetrie, Quantenmechanik, Quantenchemie, Lineare Algebra und Eigenwertprobleme, Funktionaltheorie, Variationsrechnung, Differentialgleichungen (zweiter Ordnung), Differentialgeometrie, Mehrdimensionale Analysis, Fourier-
analysis/Hilbertanalysis, Koordinatentransformationen, mehrdimensionale Visualisierung;
Physikalisch-experimentell: Streuprozesse (Scattering), Halbleiter- bzw. Festkörperphysik, Nanotechnologie, Moderne Materialien und Materialentwicklung, Sensor- oder Halbleitertechnik;
Informationstechnologisch: Datenmanagement (Database Management & SQL, Datenauswertung, sowie Speicherressourcenmanagement), Wissenschaftliches Rechnen (Scientific Computing) und Projektarchitektur.
Es soll hier darauf hingewiesen werden, dass nicht jedes dieser Gebiete vom einzelnen Teammitglied
beherrscht werden muss, jedoch die entsprechend verfügbaren Kenntnisse die möglichen Forschungsfragen begrenzen werden.
Benötigter Studienstand: Der angestrebte Studienabschluss, ob Master- oder Bachelorstudentenstatus,
ist demzufolge formal nicht ausschlaggebend für die Teilnahme an diesem QTeam. Lediglich der erworbene Kenntnisstand nach den oben umrissenen Kriterien entscheidet über die mögliche Tiefe der Forschungsfrage des einzelnen Teammitglieds.
Gliederung / Themen / Inhalte
Der Prozess des interatomaren, bzw. intermolekularen, Elektroneneinfangs durch Coulombwechselwirkung
(interatomic Coulomb electron capture, ICEC) wurde als Ergebnis streutheoretischer Betrachtungen 2009
von Gokhberg und Cederbaum vorausgesagt – zum einen für Halogene in gegenseitiger Wechselwirkung
(Br + Cl− und Cl + Br− ), zum anderen für Alkalimetalle und seltene Erden in Wechselwirkung mit Wassermolekülen (Mg 2+ + H2O).
Desweiteren hat sich ICEC schließlich als allgemeingültiger Prozess in Modellpotentialen zur Beschreibung von gekoppelten Quantenpunkten durch die Arbeit von Pont, Bande und Cederbaum etabliert.
Die Forschungsarbeiten hierzu wurden durch numerisch exakte Elektronendynamik im Konzept des Multi-Configurational Time-Dependent Hartree Ansatzes (MCTDH) vorgenommen.
Das Forschungsprojekt ist der Freigeist-Forschungsgruppe für Theoretische Chemie von Dr. Annika Bande im Institut für Methoden der Materialentwicklung unter Prof. Dr. Emad F. Aziz des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH angegliedert. Es untersucht ICEC mithilfe von Elektronendynamikrechnungen und findet zudem in Zusammenarbeit mit Assistant Professor Dr. Federico M. Pont (Facultad de Matemática Astronomía y Física, Universidad Nacional de Córdoba) statt.

Nach Aufnahme der vorhandenen Kenntnisse der Studenten im Forschungsseminar wird knapp in den aktuellen Forschungsstand eingeführt. Die Studenten entwickeln interessante Forschungsfragen und bilden Untergruppen. Mögliche Gruppenziele werden gemeinsam gesteckt, wie Posterpräsentation oder Teilnahme an Ausschreibung zu Existenzgründung von Forschungsideen. Die Untergruppen arbeiten danach selbstständig mithilfe des Wissenschaftlers an den Teilfragen und setzen sich wöchentlich mit den anderen Untergruppen kritisch mit ihren Forschungsfortschritten und Problemen auseinander.
Zugeordnete Module
P27 UeWP Ch UeWP P27
Umfang, Studienpunkte; Modulabschlussprüfung / Leistungsnachweis
2 SWS, 5 SP/ECTS (Arbeitsanteil im Modul für diese Lehrveranstaltung, nicht verbindlich)
Als Abschluss des Forschungsprozesses soll zum Ende der Vorlesungszeit ein offenes Forschungsseminar gehalten werden, in dem die Studenten ihre Ergebnisse in Vortrag und Diskussion mit den Wissenschaftlern der HZB-Forschungsgruppe für theoretische Chemie darstellen und bewerten.
Je nach gewählten Forschungsfragen der Studenten besteht zusätzlich, bzw. alternativ die Möglichkeit eine Titelseitengraphik, gemäß der Forschungsfrage, für ein Fachjournal zu entwerfen (z.Bsp. im Falle vorhandener Expertise des Studenten in Visualisierung.)
Sonstiges
Der Rahmen des vorgeschlagenen QTeamprojektes bietet ein breites Spektrum an vorstellbaren Forschungsrichtungen und steht daher im Einklang mit den Überlegungen Hubers ((2013), §3, S. 250) zu Ansprüchen an Forschungsprojekte heterogener Studierendengruppen. Es sind sowohl verschieden differenzierte Aufgaben und Rollen, wie auch Arbeitsinhalte entsprechend der Fähigkeiten der Teammitglieder angedacht.
Da die Studierenden sich selbst Forschungsfragen im Rahmen des Projektschwerpunktes stellen, werden
im folgenden nur drei exemplarische Umrisse von Forschungsfragen dargestellt, welche sich unter anderem aus den Vorkenntnissen (s. Sektion 1) des Einzelnen anbieten könnten.

Physikstudent zum B.Sc. mit geringen Vorkenntnissen: Bisher noch nicht untersuchte Parameterabhängigkeiten können mithilfe des MCTDH Simulationspaketes untersucht werden um Aussagen über ihre Auswirkungen auf das Gesamtbild des Problems treffen zu können. Es könnten Arbeitshypothesen aus den beschreibenden Grundgleichungen des Systems gezogen werden, welche sich durch geeignete Simulationen bestätigen oder widerlegen lassen. So kristallisieren sich empirische Regeln für die einzelnen Parameterkombinationen heraus, welche sodann verallgemeinert werden könnten.

Mathematikstudent mit gutem Verständnis linearer Algebra: Da eine Simulation an sich nur Datensätze unter Festlegung konkreter Parameter generieren kann, entstehen auf diesem Wege keine allgemeingültigen Aussagen. Es bestünde die Möglichkeit, alternativ mathematisch-rigorose Gedankengänge zu beschreiten und das Gesamtproblem mithilfe von verschiedenen Zerlegungsalgorithmen und Vollständigkeitsbeweisen allgemeingültig formell umzugestalten, ohne auf eine explizite Lösung des Computerexperimentes angewiesen zu sein. Die Aussagen könnten schließlich durch den Studenten oder durch das Team an den Datensätzen der Simulation überprüft werden.

Student im Ingenieurswesen, oder mit Interesse für Anwendungen: ICEC ist ein aus Streutheorie
und Quantenmechanik vorhergesagter Prozess, der bisher noch nicht experimentell beobachtet wurde oder gar praktisch in Anwendung kam. Der Student kann sich damit auseinander setzen, wie ein solches Experiment zu bewerkstelligen wäre. Was bedeuten die zu Grunde liegenden Annahmen des Computerexperimentes für die reale Welt. Wie müssten die simulierten Strukturen aussehen und welche Methoden gibt es sie heutzutage zu produzieren? Welche Materialien kommen infrage? Welche Möglichkeiten gibt es den Prozess zu nutzen?

Weitere Bespielansätze:
· Konstanten der Bewegung und vorteilhafte Koordinatentransformationen
· Optimierung Projektarchitektur, Kompatibilität und Nutzen von SQL im Scientific Computing, Da-
tenauswertung / Speicherressourcenmanagement
· Visualisierung der mehrdimensionalen Parameteroberfläche zur geometrischen Herangehensweise an
das praktische Problem
Ansprechpartner
Axel Molle mailto:axel.molle@helmholtz-berlin.de
Literatur
F. M. Pont, A. Bande und L. S. Cederbaum. „Electron-correlation driven capture and release in double quantum dots. J. Phys., Condens. Matter 28, 075301 (2016)
F. M. Pont, A. Bande und L. S. Cederbaum. „Controlled energy-selected electron capture and release in double quantum dots“, Version (R). Phys. Rev. B 88, 241304 (2013)
A. Bande, K. Gokhberg und L. S. Cederbaum. „Dynamics of interatomic coulombic decay in quantum dots“. J. Chem. Phys. 135, 144112 (2011)
K. Gokhberg und L. S. Cederbaum. „Interatomic coulombic electron capture“. Phys. Rev. A 82, 052507 (2010)
1 K. Gokhberg und L. S. Cederbaum. „Environment assisted electron capture“. J. Phys. B, Atomic, Molecular and Optical Physics 42, 231001 (2009)
H.-D. Meyer, U. Manthe und L. S. Cederbaum. „The multi-configurational time-dependent hartree ap- proach“. Chem. Phys. Letters 165, 73 (1990)
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Siehe auch:
http://www.helmholtz-berlin.de/forschung/oe/em/materialentwicklung/research/research-projects/energy-transfer/index_en.html
executed on vlvz2 © IRZ Physik, Version 2012.5.0 vom 18.10.2012 Fullscreen