Die Nanowelt in Superzeitlupe

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Neues Spitzenprogramm für Promovierende in Regensburg bewilligt

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8. November 2023

Wie könnte man Quantencomputer alltagstauglicher machen? Wie Photovoltaik effizienter? Wie schafft es die Natur, so effizient Licht zu sammeln und Energie in Organismen zu transportieren? Und was können wir daraus für die Technologien der Zukunft lernen? Drängende Fragen wie diese sind für die modernen Naturwissenschaften ebenso zentral wie für Innovationen in den Nano-, Bio- und Quantentechnologien. Um sie wirklich zu beantworten, müsste man die elementaren Bausteine der Materie möglichst direkt beobachten können. Da Elektronen, Atome und Moleküle aber ständig in Bewegung sind, reicht hierfür statische Mikroskopie oft nicht aus. Man bräuchte vielmehr ultraschnelle Videos aus der Nanowelt – seit vielen Jahren ein weitgehend unerreichter Wunschtraum weltweit.
Die Universität Regensburg kann ihre Spitzenposition auf diesem Forschungsgebiet nun weiter ausbauen: Heute hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) beschlossen, die Promovierendenausbildung auf diesem Zukunftsthema in Regensburg mit einem eigenen Graduiertenkolleg zu fördern. Das neue Graduiertenkolleg 2905 mit dem Titel „Ultraschnelle Nanoskopie – von Einteilchendynamik zu kooperativen Prozessen” wird ab April 2024 für fünf Jahre mit insgesamt sechs Millionen Euro gefördert. Es wird im weltweit einzigartigen interdisziplinären Umfeld des neu entstehenden Forschungszentrums RUN (Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy) angesiedelt sein.

Aufbauend auf jüngsten Durchbrüchen wird eine radikal neue Strategie verfolgt, um die Dynamik der Materie auf der Quantenebene zu visualisieren. Mit neu entwickelten Nanovideographie-Konzepten werden Elementardynamik auf atomarer Skala und resultierende kooperative Prozesse in Systemen mit zunehmender Komplexität direkt in Ultrazeitlupenfilmen verfolgt. Dynamische Schlüsselprozesse von einzelnen Molekülen bis hin zu biomolekularen und Festkörper-basierten Nanostrukturen werden durch komplementäre Methoden, wie ultraschnelle Rastertunnel-, Impuls-, Nahfeld-, Superauflösungs-, Rasterkraft- und Kryo-Elektronenmikroskopie aufgelöst. Die Promovierenden werden in enge Kooperationen zwischen Experiment und Theorie sowie zwischen Physik und Biologie eingebunden.
„Die Möglichkeit, echte Filme aus der Nanowelt aufzuzeichnen, dürfte eine ähnliche wissenschaftliche Revolution auslösen wie die Erfindung höchstauflösender Mikroskopie“, erwartet der Sprecher des neuen GRK 2905, Prof. Dr. Rupert Huber. Er ist sich sicher: „Unsere Zeitlupenkameras bieten unseren Promovierenden geradezu die Garantie, Vorgänge im Nanokosmos zu beobachten, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat. In diese geheimnisvolle Quantenwelt vorzudringen, wird extrem spannend.“ Die Erkenntnisse könnten Anwendung in künftiger Nano- und Optoelektronik, in Quantentechnologien und Greentech finden. Die ganzheitliche Promovierendenausbildung eröffnet damit hervorragende Karriereperspektiven in der akademischen und industriellen Forschung.
Der Präsident der Universität Regensburg, Prof. Dr. Udo Hebel freut sich: „Das GRK 2905 ist ein weiterer wichtiger Drittmittelerfolg für das neue RUN, zu dem ich den Antragsteller*innen aus der Physik und Biologie herzlich gratuliere. Erst vor wenigen Tagen konnte mit Frau Prof.in Dr. Christine Ziegler bereits die vierte Forscher*in am RUN einen ERC Synergy Grant einwerben. Nun bietet das GRK 2905 die Möglichkeit, solche weltweit sichtbare wissenschaftliche Exzellenz auch in der interdisziplinär koordinierten Promovierendenausbildung umzusetzen.”

Insgesamt werden zwölf Wissenschaftler*innen aus dem Institut für Experimentelle und Angewandte Physik (Prof. Dr. Isabella Gierz, Prof. Dr. Franz Giessibl, Prof. Dr. Rupert Huber, Prof. Dr. John Lupton, Prof. Dr. Jascha Repp und Prof. Dr. Sascha Schäfer), dem Institut für Theoretische Physik (Prof. Dr. Ferdinand Evers, Prof. Dr. Milena Grifoni, Prof. Dr. Klaus Richter und Dr. Jan Wilhelm), dem Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie (Prof. Dr. Dina Grohmann) und dem Institut für Biophysik und Physikalische Biochemie (Prof. Dr. Christine Ziegler) das Graduiertenkolleg leiten. Mit einem modernen interdisziplinären Ausbildungsprogramm, das auch einen mehrmonatigen Auslandsaufenthalt umfasst, werden sie den Promovierenden ermöglichen, sich im dynamischen Forschungsfeld der ultraschnellen Nanoskopie zu entfalten und internationale Sichtbarkeit zu erlangen. 

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Die Spitze eines ultraschnellen Rastertunnelmikroskops (oben links) tastet die einzelnen Atome eines Moleküls (rote und schwarze Kugeln) ab, um unfassbar schnelle und winzige Bewegungen von Elektronen und Atomen in echte mikroskopische Zeitlupenfilme zu übersetzen. © Brad Baxley, PtW

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