Pokročilé simulace ve fyzice mnoha částic - NTMF024

• Anglický název: Advanced Simulations in Many-particle Physics
• Zajišťuje: Ústav teoretické fyziky (32-UTF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2024
• Semestr: letní
• E-Kredity: 3
• Rozsah, examinace: letní s.:2/0, Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština, angličtina
• Způsob výuky: prezenční
• Další informace: http://utf.mff.cuni.cz/vyuka/NTMF024
• Garant: doc. RNDr. Karel Houfek, Ph.D.; doc. RNDr. Milan Předota, Ph.D.
• Vyučující: doc. RNDr. Karel Houfek, Ph.D.; doc. RNDr. Milan Předota, Ph.D.
• Kategorizace předmětu: Fyzika > Teoretická a matematická fyzika
• Patří mezi: Doporučené přednášky 1/2
• Korekvizity : NTMF021

Anotace

čeština

Pokročilé metody Monte Carlo a molekulární dynamiky, jejich aplikace na kritické, nerovnovážné a kvantové systémy: klastrové algoritmy pro mřížkové modely, transportní koeficienty, kinetické MC, kvantové Monte Carlo, simulace z prvních principů. Vhodné pro 1. a 2. roč. navazujícího magisterského studia a doktorandy oborů teoretická fyzika a matematické modelování.

Poslední úprava: Houfek Karel, doc. RNDr., Ph.D. (13.05.2022)

angličtina

Advanced Monte Carlo and molecular dynamics methods, their application to critical, nonequilibrium and quantum systems: cluster algorithms for lattice models, transport coefficients, kinetic MC, quantum Monte Carlo, simulations from the first principles. Suitable for the 1st and 2nd year of master's studies and for doctoral students in the fields of theoretical physics and mathematical modeling.

Poslední úprava: Houfek Karel, doc. RNDr., Ph.D. (13.05.2022)

Podmínky zakončení předmětu

Ústní zkouška

Poslední úprava: Houfek Karel, doc. RNDr., Ph.D. (11.06.2019)

Literatura

čeština

I. Nezbeda, J. Kolafa, M. Kotrla, Úvod do počítačových simulací: Metody Monte Carlo a molekulární dynamiky, Karolinum 2003.

D. Landau a K. Binder, A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics, Cambridge University Press 2002.

M.E.J. Newman, G.T. Barkema, Monte Carlo Methods in Statistical Physics, Oxford University Press, 1999.

D. Frenkel, B. Smit, Understanding molecular simulation, Academic Press, San Diego, USA 2002.

M. Kotrla: Numerical simulations in the theory of crystal growth, Comp. Phys. Comm. 97, 82-100 (1996).

Poslední úprava: Houfek Karel, doc. RNDr., Ph.D. (14.05.2022)

Požadavky ke zkoušce

Zkouška je ústní, požadavky odpovídají sylabu, v detailech pak tomu, co bylo během semestru odpřednášeno.

Poslední úprava: Houfek Karel, doc. RNDr., Ph.D. (11.06.2019)

Sylabus

čeština

Fázové přechody a kritické jevy
Metoda vkládání částice, Gibbsův soubor, výpočet fázové rovnováhy, určení kritické teploty ze závislosti maxima susceptipility nebo hodnot Binderových kumulantů na velikosti systému, kritické zpomalování a klastrové algoritmy pro spinové modely.

Simulace komplexních spojitých systémů
Dlouhodosahové síly, Ewaldova sumace, simulace molekulárních systémů, metody pro zachování délek vazeb či velikostí úhlů, fázové rovnováhy.

Speciální algoritmy a techniky
Výpočet entropických veličin, měření chemického potenciálu, metoda termodynamické integrace, generování náhodných čísel, multispinové kódování pro Isingův model a celulární automaty, multiškálové simulace.

Nerovnovážné systémy blízko rovnováhy
Kinetické koeficienty, časové korelační funkce, Einsteinův vztah, nerovnovážná MD, simulace self-difúze částic v mřížovém plynu, rovnovážné a nerovnovážné metody výpočtu viskozity a dielektrické konstanty.

Kinetické Monte Carlo
Volba kinetiky a určení parametrů, čas v kinetickém MC, "n-fold way" algoritmus - algoritmus bez neúspěšných pokusů, MC ve spojitém prostoru.

Simulace procesů růstu
Jednoduché růstové modely (Edenův, Edwards-Wilkinsonův), kinetické zhrubnuti, laplaceovský růst (model DLA - růst sněhové vločky), "solid-on-solid" modely, simulace růstu reálných krystalů, multiškálové simulace.

Optimalizační úlohy
Simulované žíhání - problém obchodního cestujícího, výpočet energetických bariér pro difúzi pomocí molekulární statiky - určování minimální energetické dráhy v systému N částic, metoda "elastic nudged band".

Kvantové simulace
Variační kvantové MC, kanonické kvantové MC, izomorfismus kvantových a klasických systémů, znaménkový problém, numerické simulace z prvních principů, metoda funkcionálu hustoty.

Poslední úprava: Kotrla Miroslav, RNDr., CSc. (19.05.2011)

angličtina

Phase transitions and critical phenomena
Methods of inserting particles, Gibbs ensemble, phase equilibrium, critical temperature by scaling with a system size, critical slowing down, cluster algorithms for spin models.

Simulation of realistic systems
Long-range forces, Ewald summation, simulation of molecular systems, methods conserving bond length and angles, phase equilibrium.

Special algorithms and techniques
Random number generation, multispin coding for Ising model and cellular automata, multiscale simulations.

Non-equilibrium systems close to equilibrium
Calculation of kinetic coefficients, time correlation functions, Einstein relation, non-equilibrium MD, self-diffusion in lattice gas, equilibrium and con-equilibrium calculation of viscosity and dielectric constant.

Kinetic Monte Carlo
Choice of kinetics and rates, time in kinetic MC, "n-fold way" algorithm, model of adsorption and desorption.

Simulation of growth processes
Simulation of simple growth models (Eden, Edwars-Wilkinson model etc.), kinetic roughening, Laplacian growth, diffusion limited aggregation (DLA), solid-on-solid models, realistic simulations of crystal growth.

Optimalization problems
Traveling salesman problem, simulated annealing, calculation of diffusion in lattice gas, calculation of energy barriers by molecular statics, finding the minimal energy path in a system on N particles, method "elastic nudged band".

Quantum simulations
Variational quantum MC, canonical quantum MC, isomorphism of quantum and classical systems, sign problem, first principle calculations, method of density functional.

Poslední úprava: Kotrla Miroslav, RNDr., CSc. (19.05.2011)