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EXC 1074:  Hamburger Zentrum für ultraschnelle Beobachtung (CUI): Struktur, Dynamik und Kontrolle von Materie auf atomarer Skala

Fachliche Zuordnung Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung Förderung von 2012 bis 2018
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194651731
 
Erstellungsjahr 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Welt ist nicht statisch, sondern dynamisch. Diese Beobachtung führt direkt zu einer der größten und spannendsten Herausforderungen der heutigen Wissenschaft: die Beobachtung der Bewegung von Atomen, Molekülen und Elektronen in komplexer Materie auf ihren charakteristischen Zeitskalen. Zentrales Ziel war es, die Dynamik grundlegender physikalischer und chemischer Prozesse auf allen relevanten Längen- und Energieskalen genau zu untersuchen und zu verstehen. Um nur einige der wichtigsten Errungenschaften zu nennen: Wir verwirklichten unsere Vision einer direkten Beobachtung der atomaren Bewegung bei der Bildung oder Auflösung einer chemischen Bindung, d.h. wir beobachteten, wie Chemie geschieht. Eine ebenso weitreichende Vision betraf das Studium stark korrelierter Bewegungen von Elektronen und Kernen und die Kontrolle dieses "Tanzes", der die Eigenschaften von Festkörpern bestimmt. Wir entdeckten neue Details beim Mechanismus der lichtinduzierten Hochtemperatursupraleitung, die neue Zugänge zum Konzept der dynamisch kontrollierten Emergenz eröffnen. Wir waren maßgeblich an der Realisierung neuer Meilensteine in der seriellen Nanokristallographie von Proteindynamik beteiligt, was nun Perspektiven für die Beobachtung seltener Ereignisse in biophysikalischer Funktion eröffnet. Unsere bahnbrechenden Arbeiten zur dynamischen Kontrolle von Quantengassystemen ebneten den Weg zu den ersten direkten Messungen der Topologie. Zur Verwirklichung unserer Visionen erweiterten wir Konzepte und Methoden für das Studium von "kleinen" gut kontrollierten Quantensystemen zu immer größeren Längenskalen und Komplexitäten. Zentral hierfür waren die in Hamburg entwickelten ultrahellen Röntgenquellen und Bildgebungsverfahren. Hamburg verfügt heute über umfangreiche Expertisen, die von der Kurzzeit-, Röntgen-, Festkörper-, Laserphysik, über Quantenoptik bis hin zu Nanowissenschaften reichen. Durch die Einrichtung wissenschaftlicher Zentren, die von Bund und Ländern, der Universität Hamburg, DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der European XFEL GmbH gemeinsam unterstützt werden, wurden erhebliche Investitionen getätigt. Dies hat Spitzenforscher dazu bewogen, sich den bereits etablierten Forschungsgruppen anzuschließen, um Hamburg zu einem weltweit führenden Standort in den Photonen- und Nanowissenschaften und zum Zentrum für die Erforschung der atomar aufgelösten Dynamik zu machen. Begleitet wurde das ehrgeizige Forschungsprogramm von innovativen Maßnahmen zur Förderung des Nachwuchses, der Gleichstellung und der besseren Vereinbarkeit von Beruf und Familie. Die CUI-Graduiertenschule hat die interdisziplinären Aspekte unserer Forschung gefördert als auch Wissenschaftlerinnen gezielt unterstützt. Der Cluster entwickelte gezielte Angebote für die Öffentlichkeit - vor allem durch unsere Schulprogramme. Alles in allem brachte der Cluster Hamburg in die Pole Position, um nun das Kleine und Schnelle zu erforschen, um das Große und Komplexe zu verstehen und zu kontrollieren.

Link zum Abschlussbericht

https://dx.doi.org/10.2314/GBV:1697041418

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

  • Serial femtosecond crystallography of G protein–coupled receptors, Science 342, 1521 (2013)
    W. Liu, D. Wacker, et int. V. Cherezov
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1244142)
  • Specific Chemical Reactivities of Spatially Separated 3- Aminophenol Conformers with Cold Ca+ Ions, Science 342, 98 (2013)
    Y.-P. Chang, K. Długołęcki, et int, S. Willitsch
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1242271)
  • Ultrafast Dynamics of Magnetic Domain Structures Probed by Coherent Free-Electron Laser Light, Synch. Rad. News 26, 27 (2013)
    L. Müller, S. Schleitzer, et int. G. Grübel
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/08940886.2013.850384)
  • Characterization of spatial coherence of synchrotron radiation with non-redundant arrays of apertures, J. Synchrotron Rad. 21, 722 (2014)
    P. Skopintsev, A. Singer, et int. I. A. Vartanyants
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1107/S1600577514006857)
  • Controlling coherence via tuning of the population imbalance in a bipartite optical lattice, Nature Comm. 5, 5735 (2014)
    M. Di Liberto, T. Comparin, et int. C. Morais Smith
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms6735)
  • Femtosecond crystallography with ultrabright electrons and X-rays: capturing chemistry in action, Science 343, 6175 (2014)
    R. J. D. Miller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1248488)
  • Femtosecond x-ray-induced explosion of C60 at extreme intensity, Nature Commun. 5, 4281 (2014)
    B. F. Murphy, T. Osipov, et int. N. Berrah
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms5281)
  • Fermi Condensation Near van Hove Singularities Within the Hubbard Model on the Triangular Lattice, Phys. Rev. Lett. 112, 070403 (2014)
    D. Yudin, D. Hirschmeier, et int. M. I. Katsnelson
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.070403)
  • Giant Spin Oscillations in an Ultracold Fermi Sea, Science 343, 157 (2014)
    J. S. Krauser, U. Ebling, et int, C. Becker
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1244059)
  • Imaging charge transfer in iodomethane upon x-ray photoabsorption, Science, 345, 288 (2014)
    B. Erk, R. Boll, et int, A. Rudenko
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1253607)
  • Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5, Nature 516, 71 (2014)
    R. Mankowsky, A. Subedi, et int, A. Cavalleri
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature13875)
  • Proposed formation and dynamical signature of a chiral Bose liquid in an optical lattice, Nature Communications 5, 3205 (2014)
    X. Li, A. Paramekanti, et int. W. Vincent Liu
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms4205)
  • Separating para and ortho water, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 11965 (2014)
    D. A. Horke, Y.-P. Chang, et int. J. Küpper
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201405986)
  • Serial time-resolved crystallography of photosystem II using a femtosecond X-ray laser, Nature 513, 261 (2014)
    Ch. Kupitz, S. Basu, et int, P. Fromme
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature13453)
  • Single shot coherence properties of the free-electron laser SAC- LA in the hard X-ray regime, Sci. Rep. 4, 5234 (2014)
    F. Lehmkühler, C. Gutt, et. int. G. Grübel
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep05234)
  • Time-resolved imaging of domain pattern destruction and recovery via nonequilibrium magnetization states, Phys. Rev. B 90, 184417 (2014)
    P. Wessels, J. Ewald, et int. M. Drescher
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.184417)
  • Time-resolved serial crystallography captures high-resolution intermediates of photoactive yellow protein, Science 346, 1242 (2014)
    J. Tenboer, S. Basu, et int., M. Schmidt
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1259357)
  • X-ray diffraction from isolated and strongly aligned gas-phase molecules with a free-electron laser, Phys. Rev. Lett. 112, 083002 (2014)
    J. Küpper, S. Stern, et int. H. N. Chapman
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.083002)
  • A universal approach to ultrasmall magneto-fluorescent nanohybrids, Angew. Chem. Int. Ed. 54, 12468, (2015)
    A. Feld, J.P. Merket int. H. Weller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201503017)
  • Coherent pulse synthesis: towards sub-cycle optical waveforms, Laser & Photonics Rev. 9, 129 (2015)
    C. Manzoni, O. D. Mücke, et Int. F. X. Kärtner
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/lpor.201400181)
  • Control of spin-wave excitations in deterministic fractals, Phys. Rev. B 91, 064416 (2015)
    C. Swoboda, M. Martens, and G. Meier
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.064416)
  • Crystal structure of rhodopsin bound to arrestin by femtosecond X-ray laser, Nature 523, 561 (2015)
    Y. Kang, E. Zhou, et int., H. E. Xu
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature14656)
  • Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital–driven charge transfer, Science 350, 1501 (2015)
    T. Ishikawa, S. A. Hayes, et int, R. J. D. Miller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aab3480)
  • Direct phasing of finite crystals illuminated with a freeelectron laser, Phys. Rev. X 5, 011015 (2015)
    R. A. Kirian, R. J. Bean, et int. H. N. Chapman
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.011015)
  • Femtosecond-laser-induced modifications in Co/Pt multilayers studied with tabletop resonant magnetic scattering, Europhys. Lett. 109, 17001 (2015)
    C. Weier, R. Adam, et int. C. M. Schneider
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1209/0295-5075/109/17001)
  • Mapping atomic motions with ultrabright electrons: towards fundamental limits in space-time resolution, Faraday Discussions 177, 467 (2015)
    S. Manz, A. Casandruc, et int. R. J. D. Miller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c4fd00204k)
  • Nano-beam X-ray microscopy of dried colloidal films, Soft Matter 11, 5465 (2015)
    M. A. Schroer, C. Gutt, et int. G. Grübel
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c5sm00609k)
  • Observation of a Superradiant Mott Insulator in the Dicke- Hubbard Model, Phys. Rev. Lett., 115, 230403 (2015)
    J. Klinder, H. Kessler, et int., A. Hemmerich
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.230403)
  • Observing Chiral Superfluid Order by Matter-Wave Interference , Phys. Rev. Lett. 114, 115301 (2015)
    T. Kock, M. Ölschläger, et int. A. Hemmerich
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.115301)
  • Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru, Science 347, 978 (2015)
    H. Öström, H. Öberg, et int, A. Nilsson
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1261747)
  • Solid-state chemistry on the nanoscale: ion transport through interstitial sites or vacancies? Angew. Chem. Int. Ed. 54, 14183 (2015)
    C. Bothe, A. Kornowski, et int. H. Weller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201507263)
  • Spin precession mapping at ferromagnetic resonance via nuclear resonant scattering of synchrotron radiation, Phys. Rev. Lett. 114, 147601 (2015)
    L. Bocklage, C. Swoboda, et int. R. Röhlsberger
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.147601)
  • Stabilization of magnetic helix in exchange-coupled thin films, Sci. Rep. 5, 16153 (2015)
    L. V. Dzemiantsova, G. Meier, and R. Röhlsberger
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep16153)
  • Terahertz-driven linear electron acceleration, Nature Commun. 6, 8486 (2015)
    E.A. Nanni, W.Q.R. Huang, et int., F.X. Kärtner
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms9486)
  • The critical velocity in the BEC-BCS crossover, Phys. Rev. Lett. 114, 095301 (2015)
    W. Weimer, K. Morgener, et int. H. Moritz
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.095301)
  • Two-state wave packet for strong field-free molecular orientation, Phys. Rev. Lett. 114, 103003 (2015)
    S. Trippel, T. Mullins, et int. J. Küpper
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.103003)
  • Ultrafast charge transfer of a valence double hole in glycine driven exclusively by nuclear motion, Phys. Rev. Lett. 115, 143002 (2015)
    Z. Li, O. Vendrell, R. Santra
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.143002)
  • Band gap renormalization of diamondoids: vibrational coupling and excitonic effects, New J. Phys. 18, 113052 (2016)
    P. Han, G. Bester
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/11/113052)
  • Direct observation of isolated Damon-Eshbach and backward volume spin-wave packets in ferromagnetic microstripes, Sci. Rep. 6, 22117 (2016)
    P. Wessels, A. Vogel, et int. M. Drescher
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep22117)
  • Dynamics from noisy data with extreme timing uncertainty, Nature 532, 471 (2016)
    R. Fung, A. M. Hanna, et int. A. Ourmazd
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature17627)
  • Experimental Reconstruction of the Berry Curvature in a Floquet Bloch Band , Science 352, 1091 (2016)
    N. Fläschner, B. Rem, et int. C. Weitenberg
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aad4568)
  • Femtosecond structural dynamics drives the trans/cis isomerization in photoactive yellow protein, Science 352, 725 (2016)
    K. Pande, C. D. M. Hutchison, et int. M. Schmidt
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aad5081)
  • Macromolecular diffractive imaging using imperfect crystals, Nature 530, 202 (2016)
    K. Ayyer, O. M. Yefanov, et int, H. N. Chapman
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature16949)
  • Macromolecular diffractive imaging using imperfect crystals, Nature 530, 202 (2016)
    K. Ayyer, O. M. Yefanov, et int. H. N. Chapman
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature16949)
  • Metal-semiconductor nanoparticle hybrids formed by selforganization: a platform to address exciton-plasmon coupling, Nano Lett. 16, 4811 (2016)
    C. Strelow, T. S. Theuerholz, et int. H. Lange
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00982)
  • Observing Solvation Dynamics with Simultaneous Femtosecond X-Ray Emission Spectroscopy and X-ray Scattering, J. Phys. Chem. B 120, 1158 (2016)
    K. Haldrup, W. Gawelda, et int. C. Bressler
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b12471)
  • Parametric amplification of a superconducting plasma wave, Nature Physics 12, 1012 (2016)
    S. Rajasekaran, E. Casandruc, et int. A. Cavalleri
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/NPHYS3819)
  • Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature, Nature 530, 461 (2016)
    M. Mitrano, A. Cantaluppi, et int, A. Cavalleri
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature16522)
  • Spatial coherence determination from the Fourier analysis of a resonant soft X-ray magnetic speckle pattern, Opt. Express 24, 23162 (2016)
    K. Bagschik, R. Frömter, et int. H. P. Oepen
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.24.023162)
  • Stabilizing effect of TMAO on globular PNIPAM states: preferential attraction induces preferential hydration, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 31459 (2016)
    M. A. Schroer, J. Michalowsky, et int. G. Grübel
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6cp05991k)
  • Study of heat transfer dynamics from gold nanorods to the environment via time-resolved infrared spectroscopy, ACS Nano 10, 2144 (2016)
    S. C. Nguyen, Q. Zhang, et int. A. P. Alivisatos
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.5b06623)
  • Theory of Enhanced Interlayer Tunneling in Optically Driven High-Tc Superconductors, Phys. Rev. Lett. 117, 227001 (2016)
    Junichi Okamoto, A. Cavalleri, L. Mathey
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.227001)
  • Topological Varma superfluid in optical lattices, Phys. Rev. Lett. 117, 163001 (2016)
    M. Di Liberto, A. Hemmerich, C. Morais Smith
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.163001)
  • Ultrafast imaging of photochemical dynamics: roadmap to a new conceptual basis for chemistry, Faraday Discussions 194, 777 (2016)
    R. J. D. Miller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6fd00241b)
  • A comparison of photocatalytic activities of gold nanoparticles following plasmonic and interband excitation and a strategy for harnessing interband hot carriers for solution phase photocatalysis, ACS Central Science 3, 482 (2017)
    J. Zhao, S. C. Nguyen, et int. F. D. Toste
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acscentsci.7b00122)
  • Anomalous spin precession under a geometrical torque, Phys. Rev. Lett. 119, 227203 (2017)
    C. Stahl and M. Potthoff,
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.227203)
  • Atomic structure of granulin determined from native nanocrystalline granulovirus using an x-ray free-electron laser, Proc. Nat. Acad. Sci. 114, 2247 (2017)
    C. Gati, D. Oberthuer, et int. H. N. Chapman
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1609243114)
  • Attosecond interferometry with self-amplified spontaneous emission of a free-electron laser, Nature Communications 8, 15626 (2017)
    S. Usenko, A. Przystawik, et int. T. Laarmann
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms15626)
  • Coherent ultrafast lattice-directed reaction dynamics of triiodide anion photodissociation, Nature Chemistry 9, 516 (2017)
    R. Xian, G. Corthey, et int. R. J. D. Miller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/NCHEM.2751)
  • Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice, PNAS 114, 8193 (2017)
    F. Perakis, K. Amann-Winkel, et. int. A. Nilsson
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1705303114)
  • Femtosecond response of polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays, Nature, 546, 129 (2017)
    A. Rudenko, L Inhester, et int, R. Santra, D. Rolles
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature22373)
  • Field-controlled photoemission from plasmonic nanoparticles, Nature Phys. 13, 335 (2017)
    W. P. Putnam, R. G. Hobbs, et int. F. X. Kärtner
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys3978)
  • Incoherent diffractive imaging via intensity correlations of hard X rays, Phys. Rev. Lett. 119, 053401 (2017)
    A. Classen, K. Ayyer, et int. J. V. Zanthier
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.053401)
  • Mix-and-diffuse serial synchrotron crystallography, IUCrJ 4, 769 (2017)
    K. R. Beyerlein, D. Dierksmeyer, et int. D. Oberthuer
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1107/S2052252517013124)
  • Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer, Proc. Nat. Acad. Sci. 114, 8493 (2017)
    H.-G. Duan, V. I. Prokhorenko, et int. R. J. D. Miller
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1702261114)
  • Nuclear resonant surface diffraction of synchrotron radiation, Phys. Rev. Lett. 118, 237204 (2017)
    K. Schlage, L. Dzemiantsova, et int. R. Röhlsberger
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.237204)
  • Optical melting of the transverse Josephson plasmon: A comparison between bilayer and trilayer cuprates, Phys. Rev. B 95, 104508 (2017)
    W. Hu, D. Nicoletti, et int. A. Cavalleri
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.104508)
  • Pink-beam serial crystallography, Nature Commun. 8, 1281 (2017)
    A. Meents, M. O. Wiedorn, et int. H. N. Chapman
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-017-01417-3)
  • Properties of water confined in periodic mesoporous organosilicas: nanoimprinting the local structure, Angew. Chem. Int. Ed. 56, 12348 (2017)
    J. B. Mietner, F. J. Brieler, et. int. M. Fröba
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201705707)
  • Surface-bound states in nanodiamonds, Phys. Rev. B 95 195428 (2017)
    P. Han, D. Antonov, et int. G. Bester
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.195428)
  • Unraveling the structure of ultracold mesoscopic molecular ions, Phys. Rev. Lett. 119, 063001 (2017)
    J. M. Schurer, A. Negretti, P. Schmelcher
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.063001)
  • Absolute strong-field ionization probabilities of ultracold rubidium atoms, Commun. Phys. 1, 32 (2018)
    P. Wessels, B. Ruff, et int. J. Simonet
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s42005-018-0032-5)
  • Born-Bogoliubov-Green-Kirkwood-Yvon hierarchy for ultracold bosonic systems, Phys. Rev. A 98, 013629 (2018)
    S. Krönke and P. Schmelcher
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.013629)
  • Coherent X-rays reveal the influence of cage effects on ultrafast water dynamics, Nat. Commun. 9, 1917 (2018)
    F. Perakis, G. Camisasca, et. int. A. Nilsson
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-018-04330-5)
  • Control of nuclear dynamics through conical intersections and electronic coherences, Phys. Rev. Lett. 120, 123001 (2018)
    C. Arnold, O. Vendrell, et int. R. Santra
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.123001)
  • Dynamical control of order in a cavity-BEC system, Phys. Rev. Lett. 121, 153001 (2018)
    J. G. Cosme, C. Georges, et int. L. Mathey
    (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.153001)
  • Effective Heisenberg Model and Exchange Interaction for Strongly Correlated Systems, Phys. Rev. Lett. 121, 037204 (2018)
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