Računalne metode u modernoj fizici

Opis predmeta

Praćenje zrake (ray-tracing) u zakrivljenom prostorvremenu: Prostorvrijeme. Zakrivljeno prostorvrijeme. Metrika. Duljina krivulje. Riemannov tenzor. Einsteinova jednadžba i sfernosimetrična rješenja. Propagacija svjetlosti u zakrivljenom prostorvremenu. Numerička rješenja diferencijalnih jednadžbi. Praćenje zrake (engl. raytracing). Gravitacijska leća. Primjena strojnogu ucenja na klasifikaciju događaja u fizici visokih energija: Uvod u gama astronomiju s tla: astronomski objekti, instrumenti. Lanac prikupljanja i analize podataka. Rekonstrukcija događaja. Problem odvajanja signala uz visoki šum. Primjena stabala odluke (engl. random forest) na problem gama-hadron separacije. Adsorpcija na površini materijala: Kemisorpcija i fizisorpcija. Van der Waalsova sila. Kristalna rešetka. Slojevi Van der Waalsovih materijala (grafen kao primjer). Simulacija adsorpcije Van der Waalsovog materijala na površinu. Simulacija optimalne orijentacije adsorbiranog sloja u odnosu na kristalnu rešetku substrata. Perkolacija, primjena na određivanje svojstava materijala: Osnovni koncepti perkolacije. Nagli prijelazi u ponašanju materijala. Dugodosežna povezanost. Električna vodljivost u kompozitnim materijalima. Utjecaj tuneliranja. Monte Carlo simulacije materijala i usporedba s mjerenim veličinama.

Opće kompetencije

Studenti primjenjuju znanja računalnih metoda i stječu nova znanja numeričkih i analitičkih metoda pri obradi tema iz moderne fizike, tj. fizike 20. i 21. stoljeća: kvantne mehanike, kvantne fizike čvrstog stanja, klasičnih i kvantnih solitona, posebno u situacijama kada standardne analitičke metode nisu primjenljive. Studenti simuliraju računalom različite kvantnomehaničke situacije mijenjajući parametre dinamike. Studenti stječu vještinu primjene računala i na problemima iz teorije gravitacije i kozmologije.

Ishodi učenja

  1. Objasniti efekt gravitacijske leće.
  2. Primijeniti odgovarajuće numeričke metode rješavanja diferencijalnih jednadžbi na problem praćenja trajektorija svjetlosti u zakrivljenom prostorvremenu.
  3. Objasniti proces stvaranja atmosferskog pljuska čestica iniciranih fotonima visokih energija.
  4. Primijeniti metode strojnog učenja na klasifikaciju događaja.
  5. Opisati porijeklo i svojstva van der Waalsovih sila.
  6. Primijeniti modeliranje računalom na problem pronalaženja minimuma energije zadane konfiguracije sustava.
  7. Primijeniti modeliranje računalom na pojave perkolacije.

Oblici nastave

Predavanja

Predavanja s audiovizulenim pomagalima i računarskim kompletom programa za simulaciju kvantnomehaničkih procesa "IQ".

Provjere znanja

Jedan međuispit, domaće zadaće, završni ispit.

Auditorne vježbe

U okviru predavanja rješavaju se zadaci i problemi uz simulaciju na računalu.

Laboratorijske vježbe

Samostalno simuliranje kvantnomehaničkih procesa na računalu. Rješavanje jednostavnih problema na računalu.

Konzultacije

Predviđene konzultacije u dogovoru sa studentima.

Seminari

Svaki student će obraditi jednu temu i kratko je prezentirati na predavanju.

Način ocjenjivanja

Kontinuirana nastava Ispitni rok
Vrsta provjere Prag Udio u ocjeni Prag Udio u ocjeni
Laboratorijske vježbe 0 % 10 % 0 % 10 %
Domaće zadaće 0 % 10 % 0 % 10 %
Seminar/Projekt 0 % 10 % 0 % 10 %
2. Međuispit: Pismeni 0 % 20 % 0 %
Završni ispit: Pismeni 0 % 50 %
Ispit: Pismeni 0 % 30 %
Ispit: Usmeni 40 %

Tjedni plan nastave

  1. Prostorvrijeme. Zakrivljeno prostorvrijeme. Metrika. Duljina krivulje.
  2. Riemannov tenzor. (možda sljedeći tjedan) Einsteinova jednadžba i sfernosimetrična rješenja.
  3. Propagacija svjetlosti u zakrivljenom prostorvremenu. Numerička rješenja diferencijalnih jednadžbi.
  4. Praćenje zrake (engl. ray-tracing). Gravitacijska leća.
  5. Uvod u gama astronomiju s tla: astronomski objekti, instrumenti. Lanac prikupljanja i analize podataka.
  6. Rekonstrukcija događaja. Problem odvajanja signala uz visoki šum.
  7. Primjena stabala odluke (engl. random forest) na problem gama-hadron separacije u fizici visokih energija.
  8. Međuispit
  9. Kemisorpcija i fizisorpcija. Van der Waalsova sila.
  10. Kristalna rešetka. Slojevi Van der Waalsovih materijala (npr. grafen).
  11. Simulacija adsorpcije Van der Waalsovog materijala na površinu. Određivanje optimalne orijentacije adsorbiranog sloja u odnosu na kristalnu rešetku substrata.
  12. Osnovni koncepti perkolacije. Nagli prijelazi u ponašanju materijala. Dugodosežna povezanost.
  13. Električna vodljivost u kompozitnim materijalima. Utjecaj tuneliranja.
  14. Monte Carlo simulacije materijala i usporedba s mjerenim veličinama.
  15. Završni ispit

Studijski programi

Sveučilišni preddiplomski
Elektroenergetika (modul)
Izborni predmeti (6. semestar)
Programsko inženjerstvo i informacijski sustavi (modul)
Izborni predmeti (6. semestar)

Za upis predmeta treba položiti predmete

Literatura

Valeri P. Frolov, Andrei Zelnikov (2011.), Introduction to Black Hole Physics, Oxford University Press
H. Kasai, P. Lazić (2016.), Physics Of Surface, Interface And Cluster Catalysis, Ch.2, IOP Publishing Ltd
Myra Spiliopoulou, Lars Schmidt-Thieme, Ruth Janning (2013.), Data Analysis, Machine Learning and Knowledge Discovery, Springer Science & Business Media
Zheng et al. (2011.), Characteristics of the Electrical Percolation in Carbon Nanotubes/Polymer Nanocomposites, American Chemical Society

Izvedba

ID 34351
  Ljetni semestar
4 ECTS
R3 Engleski jezik
R1 E-učenje
30 Predavanja
0 Auditorne vježbe
15 Laboratorijske vježbe

Ocjenjivanje

90 izvrstan
80 vrlo dobar
70 dobar
60 dovoljan