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Forschung

Molekulare Chemie, Neue Materialien und Quanteneffekte

Die Entwicklung und Synthese von Materialien mit neuartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie die Analyse und Modellierung der atomaren und (supra)molekularen Strukturen dieser Materialien und ihrer Eigenschaften bilden den Schwerpunkt der naturwissenschaftlichen Forschung an der JMU. Dieser Profilbereich ist traditionell stark verankert in den Wissenschaftsfeldern der Chemie und Pharmazie ebenso wie in der Physik und zeichnet sich durch einen hohen Anwendungsbezug aus. Der Einsatz der im Rahmen dieses Profilbereichs erforschten Materialien reicht dabei von der Medizin, den Materialwissenschaften bis zur Elektrotechnik/Nanoelektronik mit Anwendungen in der Photonik und in zukünftigen Quantencomputern. Von besonderer Bedeutung für diesen Profilbereich sind die Forschungsarbeiten im Rahmen des gemeinsam mit der TU Dresden eingeworbenen Exzellenzclusters „Complexity and Topology in Quantum Matter“ (ct.qmat).

Die Forschungsarbeiten der Fakultät für Chemie und Pharmazie im Profilbereich basieren auf der organischen und anorganischen Molekül- und Synthesechemie sowie der Entwicklung neuer Funktionswerkstoffe. Der Forschungsschwerpunkt „Molekulare Bausteine“ schließt sowohl die Molekülsynthese als auch die Anwendung der Moleküle als Bausteine ein und hat Bezüge zu allen chemischen Instituten der Fakultät sowie zu Arbeitsgruppen in anderen Fakultäten, wobei die Erforschung neuer molekularer Bausteine des Elements Bor sowie die Entwicklung großer Funktionsmoleküle im Vordergrund stehen. Die Forschungsschwerpunkte „Makromolekulare und Supramolekulare Strukturen“ und „Funktion und Material“ befassen sich ebenfalls mit der Entwicklung großer Funktionsmoleküle sowie mit der Analyse ihrer supramolekularen Organisation. Ziel dieser Arbeiten ist es, maßgeschneiderte Eigenschaften für Anwendungen in den Lebenswissenschaften und den Materialwissenschaften zu realisieren. Schwerpunkte bilden hier beispielsweise Arbeiten zu neuen Verfahren zur Solarenergiegewinnung sowie zur biomolekularen Synthese von RNA.

Die Forschungsaktivitäten im Schwerpunkt „Licht-Materie- und intermolekulare Wechselwirkungen“ betreffen die Analyse funktionaler Eigenschaften und grundlegender Prozesse lichtinduzierter Dynamik molekularer Materialien. Die experimentell und theoretisch untersuchten Systeme reichen von Farbstoffen, Funktionspolymeren, molekularen Aggregaten, nanoplasmonischen und nanophotonischen Systemen bis hin zu Kohlenstoffnanoröhren und zweidimensionalen Materialien.

Im Zentrum der Forschungsaktivitäten der Fakultät für Physik und Astronomie stehen die Herstellung neuartiger Materialien mit ausgeprägten Quantenphänomenen ebenso wie Themen der angewandten Physik, der Physik auf der Nanoskala sowie der Physik von Raum, Zeit und Materie. Hier ergeben sich beispielsweise zu „Licht-Materie-Wechselwirkungen“ und zu Photovoltaik-Kooperationsmöglichkeiten mit Arbeiten in der Chemie.

Das Forschungsprogramm des Schwerpunkts „Physik der kondensierten Materie“ fokussiert dabei besonders auf Materialien, in denen Elektronen-Elektronen-Wechselwirkungen, Spin-Bahn-Wechselwirkungen und/oder topologische Eigenschaften eine Schlüsselrolle spielen. Eng mit diesem Schwerpunkt verbunden sind die Forschungsaktivitäten im Rahmen des Exzellenzclusters ct.qmat, welches es sich zur Aufgabe gemacht hat, fundamental neue Zustände von Quantenmaterialien zu verstehen, zu steuern und zur Anwendung zu führen. Hier sind insbesondere experimentelle und theoretische Untersuchungen zu neuen topologischen Materialien und auf diesen basierenden Bauelementen zu nennen.

Die Forschung im Schwerpunkt „Nanophotonik“ betrifft langjährige Arbeiten an der JMU zu III-V-Halbleiter-Heterostrukturen für neuartige Laser und hochwertige Mikro- und Nanoresonatoren. Aus diesem Bereich sind mehrere Ausgründungen entstanden. Bei den universitären Arbeiten steht die Kontrolle von Licht-Materie-Interaktionen und Optoelektronik bis hin zum Quantenlimit im Vordergrund, die durch einzelne atomähnliche Zwei-Niveau-Systeme, einzelne Elektronen, einzelne Spins und wohldefinierte Einzel- und gepaarte Photonenzustände realisiert werden.

Das Forschungsprogramm im Schwerpunkt „Teilchenphysik“ widmet sich Präzisionstests des Standardmodels, wobei besonders die Entwicklung neuer Modelle und deren Anwendung sowie experimentelle Arbeiten am Large Hadron Collider im Vordergrund stehen. Darüber hinaus wird die sog. Gauge/Gravity Duality weiterentwickelt, die es ermöglicht, stark wechselwirkende Systeme ganz unterschiedlicher Natur auf besonders elegante Art zu beschreiben.