Ab initio výpočty v materiálových vědách (FSI-9AIV)

Akademický rok 2023/2024
Garant: Mgr. Martin Friák, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMVI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Předmět nabízí studentům nejen seznámení se s teoretickými základy pokročilých metod modelování magnetických a spektroskopických vlastností pevných látek, ale také možnost si prakticky vyzkoušet prvoprincipiální výpočty elektronové struktury pevných látek při individuálním řešení vybraného problému.
Výstupy studia a kompetence:
Cílem je seznámit studenty s určením magnetických a spektroskopických vlastností pevných látek pomocí metod založených na výpočtech elektronové struktury (tzv. ab initio metody). Předmět poskytne nejen pokročilé teoretické znalosti týkající se modelování široké škály materiálových vlastností, ale i možnost si výpočty prakticky zkusit při řešení individuálního problému.
Prerekvizity:
Předpokladem jsou znalosti týkající se fyziky, matematiky a kvantově-mechanického popisu pevných látek. Vvýhodou je alespoň částečná znalost programování (Linus, Python).
Obsah předmětu (anotace):
Výpočty elektronové struktury pevných látek se v posledních desetiletích staly standardním a široce používaným nástrojem v materiálové vědě a inženýrství. Nabízejí unikátní vhled do chování materiálů na atomární délkové škále, která je pro experimentální metody stále ještě velmi obtížně dosažitelná. Díky své spolehlivosti a aplikovatelnosti na různé druhy materiálů se tyto tzv. prvoprincipiální výpočty staly vynikajícím doplňkem celé palety experimentálních metod. Prominentní místo mezi zkoumanými jevy mají magnetické a spektroskopické vlastnosti pevných látek. Elektronová struktura, a s ní související jevy, určují odezvu materiálu nejen na vnější působící pole, ale na celé spektrum dalších podnětů (např. optické, RTG, gamma kvanta, elektrony, …). Předmět nabídne nejen teoretické základy těchto pokročilých výpočetních (tzv. ab initio) metod týkajících se magnetických a spektroskopických vlastností, ale umožní studentům získat také přímé praktické zkušenosti s výpočty pomocí vybraných existujících softwarových nástrojů. Tyto budou studenti v rámci předmětu individuálně aplikovat na vybraný konkrétní problém a materiál.
Metody vyučování:
Vedle seznámení se s teoretickými základy pokročilých metod modelování magnetických a spektroskopických vlastností pevných látek získají studenti také praktické zkušenosti s prvoprincipiálními výpočty elektronové struktury pevných látek.
Způsob a kritéria hodnocení:
V poslední třetině semestru budou studenti samostatně zpracovávat vybrané téma týkající se výpočtů magnetických a/nebo spektroskopických vlastností vybraných materiálů. Aktuální stav problematiky, řešení a výsledky zpracují písemnou formou a představí při zkoušce.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Přednášky doplněné o vzorová řešení typických úloh.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  10 × 2 hod. nepovinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Úvod do výpočtů elektronové struktury pevných látek, hledání základního stavu.
2. Neuspořádané a vícekomponentní systémy, praktické aspekty tzv. cloudových výpočtů.
3. Elastické vlastnosti (druhého a vyšších řádů), mechanická stabilita, homogenizace.
4. Ramanovská spektroskopie (výpočty fononů, poruchová teorie funkcionálu hustoty).
5. Magnetismus látek (ferro-/ferri-/para-magnetické stavy, …) a přechody mezi nimi.
6. Heisenbergův model, magnony, magnetismus při konečných teplotách.
7. Hyperjemné interakce a prvoprincipiální výpočty souvisejících parametrů.
8. Defekty (bodové, rozlehlé) a jejich vliv na vlastnosti pevných látek, difuze.
9. Optické vlastnosti látek (pokročilejší metody navazující na teorii funkcionálu hustoty).
10. Diskuze individuálních projektů studentů.
11. Magnetooptické vlastnosti.
12. Elektronová mikroskopie.
13. Transportní jevy.
Literatura - základní:
1. A. MODINOS, Quantum Theory of Matter, J. Wiley. 1996
2. Ch. KITTEL: Introduction to Solid State Physics (8th ed.). J. Wiley, 2005
3. R. Ch. MARTIN: Electronic Structure. Cambridge University Press, 2012
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
D-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- drzk 0 Doporučený kurs 3 1 Z
D-MAT-P prezenční studium --- bez specializace -- drzk 0 Doporučený kurs 3 1 Z
D-FIN-K kombinované studium --- bez specializace -- drzk 0 Doporučený kurs 3 1 Z
D-MAT-K kombinované studium --- bez specializace -- drzk 0 Doporučený kurs 3 1 Z