Vývoj efektivních experimentů NMR pevné fáze

• Thesis title in Czech: Vývoj efektivních experimentů NMR pevné fáze
• Thesis title in English: Optimal experiment design for solid state NMR spectroscopy
• Key words: magnetická rezonance, NMR, optimalizace, pevná fáze, teorie
• English key words: magnetic resonance, NMR, optimizations, solid-state, theory
• Academic year of topic announcement: 2019/2020
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Laboratory of NMR Spectroscopy (31-204)
• Supervisor: RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D.

Preliminary scope of work

Nukleární magnetická rezonance je univerzální experimentální metoda, která nám umožňuje získat detailní informace o atomové struktuře a dynamice molekul v roztoku i v pevných materiálech. Vzhledem k její fyzikální podstatě má malou citlivost, která je dále ovlivněna nedokonalostmi měřícího zařízení. Velkou výhodu NMR spektroskopie však je, že odpověď atomových jader na radiofrekvenční impuls ve spektrometru lze jednoduše a rigorózně teoreticky předpovědět (na úrovni kvantové teorie). To nám umožňuje získat hluboké porozumění spinové dynamiky systému pomocí sofistikovaných popisů založených na průměrném Hamiltoniánu nebo na Floquetově teorii. Byla již publikována řada experimentálních technik s různým stupněm kompenzace hardwarových omezení a nové se stále objevují. V naší skupině používáme metod optimální kontroly a počítačové simulace pro vývoj pulsních technik se zvýšenou účinností a zaměřením na aplikace ve strukturní biologii.
Tento PhD projekt se zaměří na spojení teoretických a numerických postupů ve vývoji nových experimentů. Vedle teoretické práce budou navržené experimenty ověřeny na reálném NMR spektrometru. Tento projekt bude řešen v těsné spolupráci s Technickou Univerzitou v Mnichově a s Bavorským NMR centrem se špičkovým vybavením. Počítačové simulace budou prováděny v superpočítačových centrech v ČR (IT4Innovations Ostrava) nebo v Německu (Leibnitzovo superpočítačové centrum, LRZ).

Preliminary scope of work in English

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a versatile experimental technique providing detailed information about atomic structure and dynamics of molecules in solution as well as in solid materials. Unfortunately, it struggles with its inherently low sensitivity which is further decreased by hardware imperfections. At the same time, NMR spectroscopy strongly benefits from the precise relation between the response of the nuclear spins in the spectrometer and the theoretical descriptions (on the level of quantum theory). It allows us to gain a deep insight to the underlying spin dynamics using theories like Average Hamiltonian theory or the Floquet theory. A number of sophisticated pulse experiments has been developed that compensate for some hardware issues and new are still appearing. We apply optimal control methods for computer-assisted design of pulse techniques with improved efficiency focusing on applications in structural biology.
This PhD project will concentrate on merging the theoretical approach (average Hamiltonian, Floquet) with numerical optimization by means of optimal control. The project will be conducted in close collaboration with Technical University Munich and the Bavarian NMR Center equipped with the latest instrumentation where the proposed techniques will be tested experimentally. Computer simulations will be conducted using high performance computing facilities in the Czech Republic (IT4Innovation center Ostrava) or in Leibnitz Supercomputing Center in Germany.