Das Projekt C1 ist ein Teilprojekt des DFG-Sonderforschungsbereich 1375/2 NOA und untersucht chemische Prozesse auf der Nanoskala bis hin zur Einzelmolekülebene. Ziel ist es, die Dynamik lokaler chemischer Reaktionen zu analysieren, die durch plasmonische Hotspots ausgelöst werden. Diese Hotspots erzeugen lokal begrenzte Stimuli wie hohe elektromagnetische Felder, Wärme oder heiße Elektronen, die chemische Umwandlungen initiieren können.

Im Projekt werden zwei Verstärkungsmechanismen der Raman-Spektroskopie erstmals systematisch kombiniert: plasmonische Feldverstärkung in Hotspots und kohärente nichtlineare Anregung von Raman-Schwingungen. Dadurch wird es möglich, Reaktionsdynamiken mit extrem hoher Empfindlichkeit und zeitlicher Auflösung zu erfassen.

In der ersten Förderperiode lag der Schwerpunkt auf der methodischen und technologischen Grundlage für Einzelmolekül-Messungen. Zentrale Ergebnisse sind die Entwicklung und Optimierung breitbandiger und multiresonanter plasmonischer Nanostrukturen, die hochpräzise Nanofabrikation von Strukturen mit Spaltbreiten unter fünf Nanometern sowie der Aufbau eines zeitaufgelösten breitbandigen SECARS-Messsystems. Letzteres ermöglicht die effektive Unterdrückung störender Signale wie nichtresonantem Vierwellenmischen und Zwei-Photonen-Photolumineszenz von Gold. Gleichzeitig erlaubt breitbandige CARS-Spektroskopie die kontinuierliche spektrale Verfolgung chemischer Reaktionen.

Diese Arbeiten beseitigten wesentliche experimentelle Hürden auf dem Weg zur Einzelmolekül-SECARS und bilden die Grundlage für die zweite Förderphase.

Die zweite und aktuelle Projektphase konzentriert sich auf zwei eng miteinander verknüpfte Forschungsthemen: Im ersten Schwerpunkt wird die zeitaufgelöste Einzelmolekül-Vibrationsspektroskopie weiterentwickelt. Ziel ist die erstmalige Realisierung einer zeitaufgelösten, einzelpulsbasierten breitbandigen SECARS-Spektroskopie auf Einzelmolekülebene mit maximaler zeitlicher Auflösung.

Der zweite Schwerpunkt widmet sich der Untersuchung der Dynamik hotspot-induzierter chemischer Reaktionen. Mithilfe zeitaufgelöster SECARS- und B-CARS-Messungen werden Reaktionen analysiert, die durch lokale Hotspot-Stimuli wie heiße Elektronen, lokale Erwärmung oder stark lokalisierte optische Felder ausgelöst werden.

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer 398816777 gefördert.