Simulación en Física de Materiales

Objetivo General: enmarcar nuevos conocimientos y técnicas como continuación lógica de dos asignaturas anteriores: Termodinámica y Mecánica Estadística. Obtener una visión de conjunto de la Termología.

Objetivo concreto: el objetivo de esta asignatura es proporcionar al alumno una formación complementaria avanzada en Mecánica Estadística, mediante el estudio teórico y aplicado de las modernas técnicas de simulación en ordenador, tanto de los métodos de Monte Carlo como de Dinámica Molecular.

Resultados del aprendizaje:

El alumno demostrará:
1.- Que conoce y emplea un lenguaje de programación.
2.- Que ha adquirido una formación complementaria avanzada en Mecánica estadística, conociendo y haciendo prácticas tanto de dinámica molecular como de Monte Carlo.
3.- Que conoce el estudio teórico y aplicado de las modernas técnicas de simulación con ordenador.

1. Introducción
1.1 Modelos y simulación
1.2 Teoría y experimento
1.3 Estocástico y determinístico

2. Fundamentos
2.1 Dinámica Newtoniana
2.2 Dinámica Hamiltoniana
2.3 Trayectorias en el espacio de fases
2.4 Determinación de propiedades
2.5 Distribuciones fundamentales
2.6 Elementos de teoría del muestreo
2.7 Condiciones periódocas de contorno
2.8 Principos de conservación

3. Esferas duras
3.1 Cinemática de las colisiones
3.2 Tabla de tiempos de colisión
3.3 Velocidades y posiciones iniciales
3.4 Verificando la equilibración
3.5 Diagrama de fases

4. Métodos de diferencias finitas
4.1 Un prototipo: método de Euler
4.2 Estabilidad del algoritmo
4.3 Algoritmos para dinnámica molecular

5. Esferas blandas
5.1 Modelos de potenciales intermoleculares
5.2 Inicialización
5.3 Equilibración
5.4 Producción de resultados

6. Propiedades estáticas
6.1 Propiedades termodinámicas simples
6.2 Funciones respuesta
6.3 Estructura estática

7. Propiedades Dinámicas
7.1 Funciones de correlación temporales
7.2 Coeficientes de transporte
7.3 Estructura dinámica

8. Monte Carlo
8.1 Diferencias con dinámica molecular
8.2 Algoritmo Metrópolis
8.3 Simulación de Monte Carlo
8.4 Cálculo de propiedades

9 Otras simulaciones
9.1 Dinamica Molecular en NVT y NPT
9.2 Monte Carlo en NVE
9.3 Simulaciones de no equilibrio
9.4 Simulaciones ab initio

Libros de teoría:

-Molecular Dynamics Simulation, J. M. Haile, Joh Wiley&Sons inc
-Monte Carlo Methods, M.H. Kalos y P.A. Whitlock, Vol 1, Wiley- Interscience.
-Computer Simulation of liquids, M.P. Allen y D.J. Tildesley, Oxford University Press.
-Molecular Dynamics, W.G. Hoover, Springer-Verlag.
-Numerical Statistical Mechanics, M.P. Allen y W.G. Hoover, North Holland.

Complementaria:

Molecular Dynamics Simulation Using Hard Particles, M. P. Allen, Comp. Phys. Repts, 9, 301 (1989)
Computer Studies of Phase transitions and Critical Phenomena, O. G. Mouritsen, Springer verlag.
Nonequilibrium Molecular Dynamics, W.G. Hoover, Academic Press.

Fuentes en la red:

1.- Al alumno se le suministra el contenido de la asignatura en apuntes en el Aula Virtual, elaborado por el profesor.
2.- www.sissa.it/furio/md, página de Furio Ercolessi, muy buena en DM. Excelentes apuntes de DM con ejemplos en fortran 90. En la SISSA y en el ICTP, triestre, nación la DM ab initio Car-Parrinello. La página contiene los distintos grupos que alli hay: estructura electrónica, superficies, así como artículos y tesis de doctorado.
2.- Grupo inglés de Computer Simulation of Condensed Phase: www.dl.ac.uk/CCP/CCCP5/main.html. Notas sobre MC y DM, software, noticias y links.
3.- antas.agraria.uniss.it/software: listado de software disponible, tanto libre como comercial.
4.- www.ncsa.uiuc.edu/Apps/CMP/ceperley; David Ceperley es una de los expertos mundiales en MC y su aplicación a Materia Condensada. Aquí se encontrarán con apuntes. ejemplos de software e interesantes links.

BÁSICAS Y GENERALES
1 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio.
2- Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética.
3- Poseer y comprender los conceptos, métodos y resultados más importantes de las distintas ramas de la Física, con perspectiva histórica de su desarrollo.
4 - Tener la capacidad de reunir e interpretar datos, información y resultados relevantes, obtener conclusiones y emitir informes razonados en problemas científicos, tecnológicos o de otros ámbitos que requieran el uso de conocimientos de la Física.
5 - Aplicar los conocimientos teóricos adquiridos y la capacidad de análisis y de abstracción en la definición y planteamiento de problemas y en la búsqueda de sus soluciones tanto en contextos académicos como profesionales.

TRANSVERSALES
1 - Adquirir capacidad de análisis y síntesis.
2 - Tener capacidad de organización y planificación.
3 - Desarrollar el razonamiento crítico.

ESPECÍFICAS
1 - Tener una buena comprensión de las teorías físicas más importantes, localizando en su estructura lógica y matemática, su soporte experimental y el fenómeno físico que puede ser descrito a través de ellos.
2 - Ser capaz de manejar claramente los órdenes de magnitud y realizar estimaciones adecuadas con el fin de desarrollar una clara percepción de situaciones que, aunque físicamente diferentes, muestren alguna analogía, permitiendo el uso de soluciones conocidas a nuevos problemas.
3- Ser capaz de captar lo esencial de un proceso y establecer un modelo de trabajo del mismo, así como realizar las aproximaciones requeridas con el objeto de reducir el problema hasta un nivel manejable. Demostrará poseer pensamiento crítico para construir modelos físicos.
4- Comprender y dominar el uso de los métodos matemáticos y numéricos más comúnmente utilizados en Física.
5 - Ser capaz de utilizar herramientas informáticas y desarrollar programas de software.

a) Todo el curso estará dirigido por medio del Aula Virtual (plataforma Moodle). Allí estarán desde el inicio el temario y su desarrollo en lecciones, desarrollado por el profesor de la asignatura.

b) Clase de pizarra en grupo grande: Se impartirán los conceptos teóricos de cada tema con apoyo de medios audiovisuales, utilizando la pizarra como instrumento de aclaración y de complementariedad.

c) Clases de pizarra en grupo reducido: Clase fundamentalmente práctica en la que se resolverán los problemas y dudas de los alumnos en la realización de las tareas propuestas para la evaluación continua.

d) Tutorías de pizarra en grupo reducido: Aquí se llevaran a cabo la aclaración de dudas sobre aspectos teóricos y prácticos que el alumno pueda tener, así como la supervisión, presentación, exposición, debate o comentarios de trabajos propuestos o de cualquier otra actividad planteada, realizadas tanto de forma individual como en grupo. Esta actividad por parte del alumno se incluirá en su evaluación continua.

e) Tutorías individualizadas. Se prestará atención individualizada al alumno que lo necesite. Las tutorías podrán ser telemáticas o presenciales, en ambos caso requieren de cita previa.

La evaluación estará basada en el seguimiento personalizado de cada alumno por parte del profesor durante las prácticas, completándose esta evaluación con la calificación obtenida por el alumno en las memorias presentadas, previa discusión oral con el profesor sobre el trabajo realizado. En esta entrevista el alumno podrá ser preguntado sobre cualquier tema teórico de los contenidos en el programa. Las memorias de prácticas se presentan siempre telemáticamente.

Una memoria obligatoria no presentada implica la calificación de suspenso. Si no se presenta ninguna memoria se producirá una calificación de No Presentado.

La evaluación continua representa el 50% de la nota final y corresponde al seguimiento y entrega de las memorias de las prácticas propuestas. Las memorias presentadas y calificadas se conservan para evaluaciones de segunda oportunidad. El otro 50% de la nota se obtiene de la discusión oral con el profesor sobre el trabajo realizado y las respuestas a las preguntas que el profesor plantee, esta discusión ha de de tener la consideración de examen final. La presentación de trabajos opcionales se planteará durante el curso. Los trabajos opcionales presentados se tendrán en cuenta después de calificados los alumnos. Un alumno suspenso no aprobará con trabajos opcionales, sólo se utilizarán para mejorar notas de aprobado.
Concretando más: la realización de los trabajos obligatorios puede llevar a un alumno a una nota entre 5-6 (sobre 10) dependiendo de la calidad de sus trabajos. Sólo la realización de trabajos complementarios podrá aumentar su nota al nivel de notable (7-8) y el nivel de sobresaliente se puede alcanzar en el examen final oral con el profesor.

Para los casos de realización fraudulenta de ejercicios o pruebas será de aplicación a lo recogido en el “Reglamento de evaluación del rendimiento académico de los estudiantes y de revisión de calificaciones”:
Artículo 16. Realización fraudulenta de ejercicios o pruebas.
La realización fraudulenta de cualquier ejercicio o prueba requerida en la evaluación de una asignatura implicará la calificación de suspenso en la convocatoria correspondiente, independientemente del proceso disciplinario que se pueda seguir contra el alumno infractor. Será considerado fraudulento, entre otros, la realización de trabajos plagiados u obtenidos de fuentes accesibles al público sin reelaboración o reinterpretación y sin citar a los autores y las fuentes.

Clase de pizarra en grupo grande 24h. Clases con ordenador/Laboratorio en grupo reducido 18 h.
Tutorías en grupos muy reducidos o individualizadas 3 h.
Estudio autónomo individual o en grupo 25 h.
Escritura de ejercicios, conclusiones u otros trabajos 10 h.
Programación en ordenador 25 h. Lecturas recomendadas, actividades en biblioteca 7.5 h.

Realizar un estudio diario de los temas teóricos y ser escrupulosamente ordenado en la realización de los trabajos prácticos.

Las tutorías podrán ser presenciales o telemáticas, requerirán de cita previa.