Mit Schwung in neue Materialzustände

01.09.2026

Durch Hin- und Herschaukeln von Atomen die Eigenschaften von Materialien kontrollieren – daran arbeitet Dr. Jan Gerrit Horstmann mit seiner neuen Emmy-Noether-Gruppe an der Universität Würzburg.

Gruppenleiter Gerrit Horstmann (links) mit Doktorand Lukas Schäfer (rechts) bei der Arbeit an einem Aufbau zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse. (Bild: Gerrit Horstmann)

Dr. Jan Gerrit Horstmann baut seit dem 16. August 2026 an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) eine neue Emmy-Noether-Gruppe mit dem Schwerpunkt ultraschnelle Strukturdynamik auf, die am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie angesiedelt ist. Gemeinsam mit einem interdisziplinären Team an der Schnittstelle zwischen Chemie und Physik wird Horstmann neue Ansätze zur optischen Kontrolle der mikroskopischen Bewegung von Atomen entwickeln.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Gruppe in den kommenden sechs Jahren mit knapp 2,3 Millionen Euro.

Atomare Schwingungen im (Laser-)Fokus

„Die atomare Struktur von Materialien und Molekülen hat großen Einfluss auf deren physikalische und chemische Eigenschaften, zum Beispiel auf Leitfähigkeit, Magnetismus oder Reaktivität“, so Gerrit Horstmann.

Allerdings sind Atome nicht starr angeordnet, sondern schwingen in verschiedenen Bewegungsmustern um ihre Gleichgewichtslage herum. „In den letzten Jahren wurden Methoden entwickelt, die es ermöglichen, bestimmte Schwingungen nicht nur gezielt mit kurzen Laserpulsen anzuregen, sondern gleichzeitig über tausende Einheitszellen hinweg zu synchronisieren. Auf diese Weise können wir Materialien in ganz neue Zustände schaukeln, die im thermischen Gleichgewicht nicht zu erreichen wären“, erklärt Horstmann weiter.

Er vergleicht den Vorgang mit einem Rockkonzert: „Jeder Zuschauer klatscht und springt zunächst mit seiner eigenen Frequenz. Dann beginnt die Band zu spielen und plötzlich bewegen sich zehntausende Menschen im gleichen Takt. Das Problem ist nur, dass wir auf diese Weise noch nicht alle Bewegungsmuster der Atome kontrollieren können.“

Daran arbeiten Gerrit Horstmann und sein Team, indem sie eine bestimmte Klasse von Schwingungen in den Fokus nehmen: sogenannte Raman-aktive Schwingungen. „Raman-aktive Schwingungen sind von großer Bedeutung für Phasenübergänge oder Energieumwandlungsprozesse in Molekülen, können jedoch nicht direkt durch das elektrische Feld des Lichtes angeregt werden. Man muss gewissermaßen einen Vermittler zwischen Licht und Raman-Schwingung finden, zum Beispiel Elektronen oder andere, direkt anregbare Schwingungen“, erklärt Horstmann.

„Dabei werden typischerweise Elektronen in angeregte Zustände versetzt und letztendlich viel Energie und Wärme in das System eingebracht. Dies führt im schlimmsten Fall dazu, dass Materialien schmelzen, bevor sie in neue, schwingungsinduzierte Zustände übergehen.“

Genau hier will die Nachwuchsgruppe ansetzen. Mit Laserpulsen im mittleren Infrarot versuchen sie unter anderem, Raman-aktive Schwingungen stark auszulenken, ohne dabei Elektronen dauerhaft anzuregen. Dies könnte ein effizienteres Schalten von Prozessen tief im Inneren von Materialien ermöglichen, da eine solche Anregung kaum absorbiert würde.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Chemie und Physik

Mit ihrem Schwerpunkt auf ultraschneller Strukturdynamik in Materialien und Molekülen fügt sich die Arbeitsgruppe optimal in die Würzburger Forschungslandschaft ein.

„Besonders freue ich mich, auf die interdisziplinären Kooperationen an der Schnittstelle zwischen Chemie und Physik, für die es hier an der Universität Würzburg ein einzigartiges Umfeld gibt. Von der chemischen Synthese über die optische Charakterisierung bis hin zur Nanostrukturierung und theoretischen Beschreibung funktionaler Materialien und Moleküle kommt hier in Würzburg alles an einem Ort zusammen“, hebt der neue Nachwuchsgruppenleiter hervor.

„Extrem spannend ist auch die Aussicht, mit unserer strukturzentrierten Perspektive auf chemische und physikalische Prozesse bestehende und zukünftige Verbundprojekte wie den Exzellenzcluster ctd.qmat oder Sonderforschungsbereiche zu unterstützen und zugleich die große Tradition der Raman-Spektroskopie an der Universität Würzburg fortzuführen.“

Werdegang des neuen Gruppenleiters

Jan Gerrit Horstmann, Jahrgang 1989, ist in Minden aufgewachsen. Ab 2009 studierte er mit einem Stipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes Physik an der Universität Göttingen, wo er im Bereich der ultraschnellen Strukturdynamik an Oberflächen in der Arbeitsgruppe von Claus Ropers promovierte. Für seine Promotion mit dem Prädikat „summa cum laude“ wurde er mit dem Born-Franck-Dissertationspreis der Universität Göttingen ausgezeichnet.

Mit Stipendien der ETH Zürich sowie des Schweizerischen Nationalfonds (SNSF) forschte er anschließend ab 2022 in der Arbeitsgruppe von Professor Manfred Fiebig an der ETH Zürich. Horstmanns methodischen Entwicklungen zur Beobachtung von Nichtgleichgewichtsdynamiken in ferroischen Materialien wurden dort mit einem ETH Seed Award ausgezeichnet.

2025 folgte er einem Angebot der JMU Würzburg zurück nach Deutschland und übernahm die Leitung einer unabhängigen Nachwuchsgruppe im Programm „Exzellente Ideen II“ am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie. Hier warb er erfolgreich ein Stipendium der Daimler und Benz Stiftung sowie die Förderung der DFG für seine Emmy-Noether-Gruppe ein.

Emmy-Noether-Programm

Das Emmy-Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) richtet sich an Postdocs und befristet beschäftigte Juniorprofessorinnen und -professoren in einer frühen Phase ihrer wissenschaftlichen Karriere.

Ihnen wird die Möglichkeit eröffnet, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von sechs Jahren für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren.