Master in Computational Physics

Transkript

1 Computational Physics En linje under masterprogrammene FYSIKK og COMPUTATIONAL SCIENCE Orientering om master prosjekter

2 Computational Physics prosjekter og potensielle veiledere Computational Astrophysics: Institutt for Teoretisk Astrofysikk Mats Carlsson og Viggo Hansteen Computational Chemistry: Teoretisk Kjemi, numerisk kvantemekanikk Trygve Helgaker Computational Science, partielle difflikninger og numerisk matematikk Hans Petter Langtangen og Xing Cai Computational Physics, numerisk kvantemekanikk og statistisk fysikk Eirik Flekkøy og Morten Hjorth-Jensen IKT i undervisning Arnt Inge Vistnes (aiv@fys.uio.no), Knut Mørken (knutm@ifi.uio.no), Morten Hjorth-Jensen (mhjensen@fys.uio.no), Hans Petter Langtangen (hpl@simula.no)

3 Computational Science og Physics Nye fagfelt og tverrfaglighet Erkjennelse av at naturvitenskap består av eksperiment, simuleringer og teori Stor nasjonal satsning på EVitenskap (Evita, 100 MNOK per år) Internasjonalt satses det sterkt på tverrfaglige programmer, med sterk naturvitenskapelig profil Det kalles ofte Computational Science and Engineering (CSE) eller bare Computational Science (CS) Mange kjente universiteter profilerer seg via CS Her vil en finne retninger som Computational Chemistry, Physics, Mechanics, Bioinformatics, Mathematics etc.. Etterspurte kandidater i forskning og industri.

4 Mastergradsopplegg To typer studieløp Fra Bachelor nivå kan en fordype seg i Computational Physics fra følgende programmer: ELDAT, FAM, MEF og MIT s retning Computational Science. Jobbes med at en kan komme fra kjemi bachelor også. 6 kurs totalt ( 1 år med kurs) 3 fagspesifikke kurs relevant for oppgavetema 3 CS-kurs oppgave 1 år eller 9 kurs 1.5 år oppgave 0.5 år

5 Typiske Computational Science kurs Kurs fra IFI, FI og MI FYS3150/FYS4150: Computational Physics I (høst) FYS4410: Computational Physics II (vår) INF-MAT3360/4360: Partielle difflikninger (vår og høst) INF-MAT3350/4350: Numerisk linær algebra (høst) INF5620, INF5630 og INF5640: Numeriske metoder for partielle difflikninger MEK-INF3210/4210 Matematisk modellering av strømning, varmetransport og deformasjon Kurs i F95, C++, parallellisering, scripting, visualisering m.m. (vår)

6 Temaer for Master oppgave Fra universet til naturens minste bestanddeler Oppgavene kan utformes slik at en kan blande flere emner, hvis vektlegging kan variere fra oppgave til oppgave Numerisk matematikk, vekt på partielle difflikninger, utvikling av numerisk verktøy og store dataprogrammer, testing av algoritmer for parallellisering Numerisk kvantemekanikk, fysikk, kjemi, materialvitenskap Numerisk statistisk fysikk Numerisk astrofysikk IKT i undervisning Kopling teori, eksperiment og numeriske simuleringer er en viktig fellesnevner. Stikkord: beregningsorientert teoretisk fysikk

7 Computational Astrophysics Temaer Solens ytre lag er varmere enn den synlige overflaten. Mekanismene for oppvarmingen av disse lagene (solens kromosfære og korona) er ikke kjent men det er klart at solens magnetfelt spiller en viktig rolle. Ved astrofysisk institutt arbeider vi med en rekke problemstillinger knyttet til forståelsen av solens ytre lag, f.eks. oppvarmingsmekanismer, dynamikk, bølgeforplantning og solstormer. Dette gjøres ved å kombinere observasjoner fra bakken og rommet med simuleringer. For våre simuleringer bruker vi egenutviklede koder innen strålings-magneto-hydrodynamikk. Her ligger det flere mulige oppgaver innen computational physics; fra utvidelser av den fysiske beskrivelsen (inkludere flere prosesser i koden) til algoritmeutvikling (nye bedre randkrav), optimalisering, parallellisering og visualisering av resultatene. Anbefalt bakgrunn: FAM, med vekt på programmering Anbefalte kurs: programmeringskurs, FYS3150/4150, INF5620 Mer bakgrunn finnes på matsc/shp/hovedfag.html. Les deres Nature artikkel i år, bind 435 side 919

8 Computational Science Temaer Partielle differensialilkninger (PDE) og Monte Carlo. Utvikling av programvare og parallellisering. Spesielt relevant her er PDEer for kvantemekaniske systemer, f.eks. i studier av Bose-Einstein kondensat. Problem solving environment for quantum computations. Omgivelse som gjør det lett å sette sammen ulike moduler for å løse kvantemekanikk-problemer. Modulene er typisk PDE-løsere for Schrödingerlikningen (tidsutvikling el egenverdiproblemer) og Monte Carlo moduler. Omgivelsen er typisk et sett med Python script, der noen kobler moduler mens andre er Python-wrappere av C++/F90 moduler slik at de er kallbare fra Python. Her inngår visualisering av kvantemekanikk-løsninger også. Parallelle beregninger for PDE. Også Monte Carlo og parallellisering (generering av random tall i parallell, variansreduksjon i parallell). Anbefalt bakgrunn: MIT, FAM/ELDAT/MEF, med vekt på programmering Anbefalte kurs: programmeringskurs, FYS3150/4150, INF5620, m.m

9 Computational Physics: Statistisk fysikk Bakgrunn Problemstillingen er å forstå bottom-up modeller som cellulære automater, hva deres makroskopiske oppførsel er, og hvordan de kan brukes. Spesiell fokus er det på hydrodynamiske modeller som Gittergasser og gitter-boltzmann. Anbefalt bakgrunn: FAM/MEF/MIT, med vekt på programmering Anbefalte kurs: FYS3130, FYS3150/4150

10 Computational Physics: Statistisk fysikk Temaer Hybrid modeller i hydrodynamikk. Hvordan kobler man en partikkel beskrivelse og en kontinuumsbeskrivelse sammen innenfor samme fysiske rom? Dette er relevant blant annnet for hydrodynamiske randbetingelser og der væsker strømmer på nano-skala Modellering av viskoelastiske væsker. Mange væsker er mer komplekse enn vann, f.eks. ketchup. Er det mulig å lage enkle modeller for komplekse væsker? Ja, ved å basere modellen på en partikkel beskrivelse, f.eks. såkalt dissipativ partikkel dynamikk Friksjon. Den mikroskopiske verden er tidsreversible, den makroskopiske er det ikke. Blant annet dissiperes alltid bevegelsesenergi der det er friksjon. Det mikroskopiske opphav til slike dissipative mekanismer kan studeres vha. partikkelbaserte simuleringer, i dette tilfellet i nær tilknytning til eksperimenter.

11 Computational Chemistry and Physics: numerisk kvantemekanikk Temaer Kvantemekaniske systemer fra flere fagfelt, kjemi, atomfysikk, kjernefysikk, faststoff fysikk og materialvitenskap studeres vha flere teknikker og metoder. Monte Carlo simuleringer av systemer med mange vekselvirkende partikler. Egenverdiproblemer (linær algebra), storskala diagonaliseringer (matriser på størrelse med 10 9 egentilstander. Løsning av den tidsavhengige Schrödingers likning vha Partielle difflikninger. Viktig for grunnleggende studier av kvantemekaniske systemer. Studier av nøytronstjerner og tett materie, mangelegemeteori og partielle difflikninger. Systemer fra faststoff (nanoteknologi) og materialvitenskap. Quantum dots. Simulering av kvantedatamaskiner og studier av kvantealgoritmer. Faseoverganger i kvantemekaniske systemer, supraledning og superfluiditet,bose-einstein og Fermi kondensasjon. Anbefalt bakgrunn:fam/eldat/mef/kjemi og MIT, med vekt på programmering Anbefalte kurs: programmeringskurs, FYS3150/4150, INF5620, m.m

12 IKT i undervisning Temaer Viktig prosjekt vil være å utvikle bruk av numeriske oppgaver og prosjektoppgaver for kurs i matematikk, informatikk og teknologi programmet samt Fysikk, astronomi og meteorologi programmet. Dette arbeidet kan klart systematiseres. I tillegg, er dette to studieprogram som leverer kurs til flere institutt og andre studieprogrammer på matnat. Vi må regne med flere studenter på disse programmene, og da vil en helhetlig linje i forhold til IKT i undervisninga være alfa og omega for gjennomføringen av nye pedagogiske tiltak. Utvikle numeriske oppgaver for videregående skole og grunnskole

13 Samarbeid og internasjonalisering Reis ut! Flere prosjekter med folk fra andre land, mulighet for utenlandsopphold deler av masterstudiet, (tyngde i USA). Kopling mot SFFen i matematikk for anvendelser (CMA) samt flere strategiske Universitetsprogram og universitet i inn og utland.

14 Studenter i Computational Physics, 2003-nå Mange av masterstudentene fortsetter som stipendiater. Bra jobbmarked. Navn Eksamensår Nåværende stilling/tema Eivind Brodal 2003 Drgrad Fysikk Univ Tromsø Eirik Ovrum 2003 Drgrad Uio CMA Ronny Kjellsberg 2003 Lektor HiST Victoria Popsueva 2004 Drgrad UiB Simen Reine 2004 Drgrad UiO Kjemisk Jon Nilsen 2004 Drgrad UiO, USIT Simen Kvaal 2004 Drgrad UiO CMA Mateusz Røstad 2004 Drgrad Fysikk UiO Andreas Sæbjørnsen 2006 Livermore National Lab Epsen Flage-Larsen 2006 Fysikk UiO, Quantum dots Jon Thonstad 2007 Fysikk UiO, Nøytrinoer i nøtronstjerner Joachim Haga 2006 Fysikk UiO, Bose Einstein kondesasjon Sutharsan Arumugam 2007 Fysikk UiO, Kvarkfase i tett materie