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
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• Femtosecond crystallography with ultrabright electrons and X-rays: capturing chemistry in action, Science 343, 6175 (2014)
  R. J. D. Miller
  
• Femtosecond x-ray-induced explosion of C60 at extreme intensity, Nature Commun. 5, 4281 (2014)
  B. F. Murphy, T. Osipov, et int. N. Berrah
  
• 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
  
• Giant Spin Oscillations in an Ultracold Fermi Sea, Science 343, 157 (2014)
  J. S. Krauser, U. Ebling, et int, C. Becker
  
• Imaging charge transfer in iodomethane upon x-ray photoabsorption, Science, 345, 288 (2014)
  B. Erk, R. Boll, et int, A. Rudenko
  
• Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5, Nature 516, 71 (2014)
  R. Mankowsky, A. Subedi, et int, A. Cavalleri
  
• 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
  
• Separating para and ortho water, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 11965 (2014)
  D. A. Horke, Y.-P. Chang, et int. J. Küpper
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• Time-resolved serial crystallography captures high-resolution intermediates of photoactive yellow protein, Science 346, 1242 (2014)
  J. Tenboer, S. Basu, et int., M. Schmidt
  
• 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
  
• A universal approach to ultrasmall magneto-fluorescent nanohybrids, Angew. Chem. Int. Ed. 54, 12468, (2015)
  A. Feld, J.P. Merket int. H. Weller
  
• Coherent pulse synthesis: towards sub-cycle optical waveforms, Laser & Photonics Rev. 9, 129 (2015)
  C. Manzoni, O. D. Mücke, et Int. F. X. Kärtner
  
• Control of spin-wave excitations in deterministic fractals, Phys. Rev. B 91, 064416 (2015)
  C. Swoboda, M. Martens, and G. Meier
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• Nano-beam X-ray microscopy of dried colloidal films, Soft Matter 11, 5465 (2015)
  M. A. Schroer, C. Gutt, et int. G. Grübel
  
• 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
  
• Observing Chiral Superfluid Order by Matter-Wave Interference , Phys. Rev. Lett. 114, 115301 (2015)
  T. Kock, M. Ölschläger, et int. A. Hemmerich
  
• Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru, Science 347, 978 (2015)
  H. Öström, H. Öberg, et int, A. Nilsson
  
• 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
  
• 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
  
• Stabilization of magnetic helix in exchange-coupled thin films, Sci. Rep. 5, 16153 (2015)
  L. V. Dzemiantsova, G. Meier, and R. Röhlsberger
  
• Terahertz-driven linear electron acceleration, Nature Commun. 6, 8486 (2015)
  E.A. Nanni, W.Q.R. Huang, et int., F.X. Kärtner
  
• The critical velocity in the BEC-BCS crossover, Phys. Rev. Lett. 114, 095301 (2015)
  W. Weimer, K. Morgener, et int. H. Moritz
  
• Two-state wave packet for strong field-free molecular orientation, Phys. Rev. Lett. 114, 103003 (2015)
  S. Trippel, T. Mullins, et int. J. Küpper
  
• 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
  
• Band gap renormalization of diamondoids: vibrational coupling and excitonic effects, New J. Phys. 18, 113052 (2016)
  P. Han, G. Bester
  
• 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
  
• Dynamics from noisy data with extreme timing uncertainty, Nature 532, 471 (2016)
  R. Fung, A. M. Hanna, et int. A. Ourmazd
  
• Experimental Reconstruction of the Berry Curvature in a Floquet Bloch Band , Science 352, 1091 (2016)
  N. Fläschner, B. Rem, et int. C. Weitenberg
  
• 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
  
• Macromolecular diffractive imaging using imperfect crystals, Nature 530, 202 (2016)
  K. Ayyer, O. M. Yefanov, et int, H. N. Chapman
  
• Macromolecular diffractive imaging using imperfect crystals, Nature 530, 202 (2016)
  K. Ayyer, O. M. Yefanov, et int. H. N. Chapman
  
• 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
  
• 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
  
• Parametric amplification of a superconducting plasma wave, Nature Physics 12, 1012 (2016)
  S. Rajasekaran, E. Casandruc, et int. A. Cavalleri
  
• Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature, Nature 530, 461 (2016)
  M. Mitrano, A. Cantaluppi, et int, A. Cavalleri
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• Theory of Enhanced Interlayer Tunneling in Optically Driven High-Tc Superconductors, Phys. Rev. Lett. 117, 227001 (2016)
  Junichi Okamoto, A. Cavalleri, L. Mathey
  
• Topological Varma superfluid in optical lattices, Phys. Rev. Lett. 117, 163001 (2016)
  M. Di Liberto, A. Hemmerich, C. Morais Smith
  
• Ultrafast imaging of photochemical dynamics: roadmap to a new conceptual basis for chemistry, Faraday Discussions 194, 777 (2016)
  R. J. D. Miller
  
• 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
  
• Anomalous spin precession under a geometrical torque, Phys. Rev. Lett. 119, 227203 (2017)
  C. Stahl and M. Potthoff,
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• 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
  
• Field-controlled photoemission from plasmonic nanoparticles, Nature Phys. 13, 335 (2017)
  W. P. Putnam, R. G. Hobbs, et int. F. X. Kärtner
  
• 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
  
• Mix-and-diffuse serial synchrotron crystallography, IUCrJ 4, 769 (2017)
  K. R. Beyerlein, D. Dierksmeyer, et int. D. Oberthuer
  
• 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
  
• Nuclear resonant surface diffraction of synchrotron radiation, Phys. Rev. Lett. 118, 237204 (2017)
  K. Schlage, L. Dzemiantsova, et int. R. Röhlsberger
  
• 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
  
• Pink-beam serial crystallography, Nature Commun. 8, 1281 (2017)
  A. Meents, M. O. Wiedorn, et int. H. N. Chapman
  
• 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
  
• Surface-bound states in nanodiamonds, Phys. Rev. B 95 195428 (2017)
  P. Han, D. Antonov, et int. G. Bester
  
• Unraveling the structure of ultracold mesoscopic molecular ions, Phys. Rev. Lett. 119, 063001 (2017)
  J. M. Schurer, A. Negretti, P. Schmelcher
  
• Absolute strong-field ionization probabilities of ultracold rubidium atoms, Commun. Phys. 1, 32 (2018)
  P. Wessels, B. Ruff, et int. J. Simonet
  
• Born-Bogoliubov-Green-Kirkwood-Yvon hierarchy for ultracold bosonic systems, Phys. Rev. A 98, 013629 (2018)
  S. Krönke and P. Schmelcher
  
• 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
  
• Control of nuclear dynamics through conical intersections and electronic coherences, Phys. Rev. Lett. 120, 123001 (2018)
  C. Arnold, O. Vendrell, et int. R. Santra
  
• Dynamical control of order in a cavity-BEC system, Phys. Rev. Lett. 121, 153001 (2018)
  J. G. Cosme, C. Georges, et int. L. Mathey
  
• Effective Heisenberg Model and Exchange Interaction for Strongly Correlated Systems, Phys. Rev. Lett. 121, 037204 (2018)
  E. A. Stepanov, S. Brener, et int. A. I. Lichtenstein, M. I. Katsnelson
  
• Effective Heisenberg Model and Exchange Interaction for Strongly Correlated Systems, Phys. Rev. Lett. 121, 037204 (2018)
  E. A. Stepanov, S. Brener, et int. M. I. Katsnelson
  
• Excitonic Instability and Pseudogap Formation in Nodal Line Semimetal ZrSiS, Phys. Rev. Lett. 120, 216401 (2018)
  A. N. Rudenko, E. A. Stepanov, et int. M. I. Katsnelson
  
• Femtosecond X-ray coherent diffraction of aligned amyloid fibrils on low background graphene, Nature Comm. 9, 1836 (2018)
  C. Seuring, K. Ayyer, et int. H. N. Chapman
  
• Heterogeneous local order in self-assembled nanoparticle films revealed by X-ray cross correlation, IUCrJ 5, 354 (2018)
  F. Lehmkühler, F. Schulz, et int. G. Grübel
  
• Incoherent nuclear resonant scattering from a standing spin wave, Sci. Rep. 8, 11261 (2018)
  J. Gollwitzer, L. Bocklage, et int. R. Röhlsberger
  
• Insights into the formation mechanism of two-dimensional lead halide nanostructures, Nanoscale 10, 4442 (2018)
  E. Klein, R. Lesyuk, C. Klinke
  
• Light-induced coherence in an atom-cavity system, Phys. Rev. Lett. 121, 220405 (2018)
  C. Georges, J. G. Cosme, et int. A. Hemmerich
  
• Megahertz serial crystallography, Nature Commum. 9, 4025 (2018)
  M. Wiedorn, D. Oberthür, et int. A. Barty
  
• Molecular polarizability anisotropy of liquid water revealed by terahertz-induced transient orientation, Nature Commun. 9, 2142 (2018)
  P. Zalden, L. Song, et int. C. Bressler
  
• Observation of different reactivities of para and ortho-water towards trapped diazenylium ions, Nature Commun. 9, 2096 (2018)
  A. Kilaj, H. Gao, et int. S. Willitsch
  
• Observation of dynamical vortices after quenches in a system with topology, Nature Physics 14, 265 (2018)
  N. Fläschner, D. Vogel, et int. C. Weitenberg
  
• Probing optically silent superfluid stripes in cuprates, Science 359, 575 (2018)
  S. Rajasekaran, J. Okamoto, et int, A. Cavalleri
  
• Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong- Field Nonlinear Phononics, Nature, 555, 79 (2018)
  A. von Hoegen, R. Mankowsky, et int, A. Cavalleri
  
• Symmetry breakdown of electron emission in extreme ultraviolet photoionization of argon, Nature Commun. 9, 4659 (2018)
  M. Ilchen, G. Hartmann, et int. M. Meyer
  
• Transferring the entatic-state principle to copper complexes, Nature Chemistry 10, 355 (2018)
  B. Dicke, A. Hoffmann, et int. S. Herres-Pawlis
  
• Two-Dimensional Homogeneous Fermi Gases, Phys. Rev. Lett. 120, 060402 (2018)
  K. Hueck, N. Luick, et int. H. Moritz
  
• Uniaxial stress flips the natural quantization axis of a quantum dot for integrated quantum photonics, Nature Comm. 9, 3058 (2018)
  X.-Y. Yuan, F. W. Brinkmann, et int. A. Rastelli
  
• Chemistry of shape-controlled iron oxide nanocrystal formation, ACS Nano 13, 162 (2019)
  A. Feld, A. Weimer, et int. H. Weller
  
• Energy transfer can trigger multiexciton recombination in dense quantum dot ensembles, Small 15, 1803798 (2019)
  M. Rafipoor, R. Koll, et int. H. Lange
  
• Micron-size two dimensional methylammonium lead halide perovskites, ACS Nano 13, 6955 (2019)
  E. Klein, A. Black, et int. C. Klinke
  
• Molecular movie of ultrafast coherent rotational dynamics, Nat. Commun. 10, 3364 (2019)
  E. T. Karamatskos, S. Raabe, et int. J. Küpper
  
• Preparation of high-yield and ultra-pure Au25 nanoclusters: towards their implementation in real-world applications, Nanoscale 11, 1988 (2019)
  M. Galchenko, R. Schuster, et int. C. Klinke
  
• Vanishing Carrier-Envelope-Phase-Sensitive Response in Optical-Field Photoemission from Plasmonic Nanoantennas, Nature Phys.15, 1128 (2019)
  P. D. Keathley, W. P. Putnam, et int. F. X. Kärtner