Quantendynamische Untersuchungen zu Umgebungseffekten in Ladungs- und Energietransferprozessen

Projektleiter:

Volker Engel
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Am Hubland, 97074 Würzburg

Phone: +49 931 31-86376
E-Mail: voen@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

URL: http://www.phys-chemie.uni-wuerzburg.de/arbeitsgruppen/ak_prof_v_engel/startseite/

Lichtinduzierte Prozesse in isolierten Molekülen sind eingehend theoretisch untersucht worden. Hierzu genügt es, die zeitabhängige oder zeitunabhängige Schrödingergleichung zu lösen und entsprechende Observable mit den so bestimmten Wellenfunktionen zu berechnen. Hat man es allerdings mit „offenen Quantensystemen“ zu tun wie etwa einem Molekül, welches mit einem Lösungsmittel interagiert, so ist eine Beschreibung des Moleküls innerhalb eines einfachen Wellenfunktionsbildes nicht mehr möglich. In diesem Fall muss das Gesamtsystem (bestehend aus dem System/Molekül und dem Bad/Umgebung) in geeigneter Weise auf eine reduzierte Beschreibung des Quantensystems zurückgeführt werden.

In diesem Projekt werden unterschiedliche Ansätze für die Behandlung von System/Bad Problemen (reduzierte Dichtematrizen, stochastische Schrödingergleichungen) auf Molekülaggregate welche mit einer Umgebung wechselwirken, angewandt werden. Dazu werden die Aggregate durch effektive Hamiltonoperatoren beschrieben, welche relevante Kernfreiheitsgrade enthalten.

Aufbauend auf Vorarbeiten an isolierten Molekülen werden sowohl Energie- als auch Ladungstransferprozesse untersucht. In beiden Fällen findet eine Quantendynamik in gekoppelten elektronischen Zuständen statt. Die Wechselwirkung mit der Umgebung wird die Effizienz des Transfers entscheidend beeinflussen und es ist unser Ziel, die entsprechenden Mechanismen zu charakterisieren. Konkret werden zunächst Triarylamin-Radikalkationen bezüglich des Lösungsmittel-beeinflussten Elektronentransfers untersucht. Parallel dazu soll der Exzitonentransport in Perylenbisimid-Aggregaten studiert werden. In beiden Fällen gilt es spektroskopische Observable zu berechnen, welche die zugrunde liegende Dynamik widerspiegeln. Hier sind lineare Spektren (Absorption, Emission, Circular-Dichroismus), aber auch vibronische 2D-Spektren (siehe Abbildung) zu nennen.

Beispiel für System-Bad Wechselwirkungen: Berechnete 2D-Spektren eines PBI-Dimers. Die vibronische Struktur im Spektrum (rechts) wird durch den Einfluss einer Umgebung verbreitert (links).

Das letztendliche Ziel unserer Arbeiten ist es, die grundlegenden Einsichten aus unseren Untersuchungen zu benutzen, um Transferprozesse zu steuern. Die in der Forschergruppe vorhandene Expertise in der Synthese und Spektroskopie soll gemeinsam mit dem theoretisch erarbeiteten Verständnis über Transfermechanismen unter Einfluss einer Umgebung zueinem großen Schritt vorwärts in der Einsetzbarkeit molekularer Aggregate in technischen Anwendungen führen.