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Máster Universitario en Física Avanzada: Partículas, Astrofísica, Nanofísica y Materiales Cuánticos

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Simulación en Materiales y Nanoestructuras

Código asignatura
MFIAVPAN-1-012
Curso
Primero
Temporalidad
Segundo Semestre
Carácter
Optativa
Créditos
6
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Guía docente

La asignatura se encuadra dentro de la materia básica de Física Computacional. Su principal objetivo es profundizar en el conocimiento de las herramientas necesarias para llevar a cabo estudios de simulación en ciencia de materiales. Se pretende por tanto que los estudiantes adquieran habilidades en el uso de códigos computacionales que permiten llevar a cabo simulaciones de sistemas cristalinos y sistemas con dimensiones comprendidas entre la nanoescala y la mesoescala.

Para un correcto seguimiento de esta asignatura es recomendable haber cursado el grado de Física y, dentro de este, asignaturas relacionadas con temas afines a Física del Estado Sólido. Alternativamente, también se puede haber cursado el grado de Química y, dentro de este, asignaturas relacionadas con temas afines a Química Computacional.

Se espera que mediante esta asignatura el estudiante adquiera principalmente las siguientes competencias:

Competencias básicas y generales

CG1 - Desarrollar destrezas teóricas y experimentales que permitan aplicar, con creatividad y rigor, los conceptos, principios, teorías y modelos adquiridos a entornos nuevos o poco conocidos, y relacionados con los retos que en cada momento plantea la sociedad en el campo de la Física, tanto en el ámbito científico como en el de la innovación tecnológica.

CG2 - Desarrollar habilidades de trabajo en equipo, ya sea de investigación o de empresa: ello incluye planificar el trabajo, repartir tareas, tomar iniciativas, participar en debates y discusiones críticas, y, en su caso, asumir responsabilidades de liderazgo.

CG3 - Adquirir una formación sólida que le capacite para la comprensión de informes y artículos científicos en el campo de la Física, y la valoración de la relevancia científica o tecnológica de los mismos.

CG4 - Manejar las principales fuentes de información científica con capacidad para buscar la información relevante: utilización correcta de la bibliografía y de las bases de datos especializadas en el ámbito de la Física y uso adecuado de las nuevas tecnologías.

CG5 - Desarrollar las capacidades narrativas necesarias para elaborar documentos escritos, en particular artículos científicos, con resultados teóricos y/o experimentales, formulación de hipótesis razonables, composiciones originales, datos bibliográficos, y conclusiones motivadas, adaptando el mensaje a la audiencia a la que va destinado.

CG6 - Desarrollar las capacidades de comunicación oral necesarias para expresar con claridad y defender con rigor los resultados y conclusiones de una investigación o de un informe técnico, tanto ante públicos científico-académicos como en ámbitos de carácter divulgativo, y, en su caso, debatiendo con los miembros de un tribunal especializado cualquier aspecto relativo a los mismos.

CG7 - Adquirir habilidades de autoaprendizaje para el desarrollo de la formación permanente como investigador o tecnólogo de alto impacto científico.

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio

CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

Competencias específicas

CE1 - Adquirir una formación avanzada, tanto desde el punto de vista teórico como experimental, orientada a la especialización investigadora y académica, que le permita iniciar un proyecto de tesis doctoral en Física u otros campos científicos relacionados.

CE2 - Adquirir la capacitación para la investigación en temas abiertos en el ámbito de la Física y su interconexión con otras disciplinas, que le permita abordar con éxito su desarrollo profesional en cualquier campo de la Física.

CE3 - Adquirir la capacidad para realizar un análisis crítico de una teoría o de un experimento recientes o de vanguardia en el ámbito de la Física y, a partir de ello, identificar los fenómenos físicos relevantes y sus fundamentos, basándose en la lógica del desarrollo formal, la rigurosidad de las técnicas empleadas (teóricas o experimentales), y la consistencia con los conocimientos previos.

CE4 - Capacitación para abordar y resolver un problema avanzado en el ámbito de la Física mediante la elección adecuada del contexto, la identificación de los conceptos relevantes, y el uso de la técnicas teóricas, experimentales y/o computacionales previamente adquiridas.

CE5 - Conocer las técnicas algebraicas y de optimización con métodos numéricos por ordenador más eficientes para el planteamiento y resolución de problemas de modelización teórica y simulación de fenómenos físicos complejos.

Resultados del aprendizaje

RA1 - Conocer las aproximaciones básicas habitualmente empleadas para predecir las propiedades físicas de la materia.

RA2 - Comprender las principales aproximaciones utilizadas en el desarrollo de programas basados en la teoría del funcional de la densidad.

RA3 - Entender las aproximaciones y códigos empleados en cálculos de dinámica molecular.

RA4 - Manejar los principales métodos empleados en simulaciones atomísticas.

RA5 - Entender y conocer métodos de simulación que abarquen distintas escalas espaciales y temporales.

RA6 - Tener conocimientos básicos de simulaciones de alto rendimiento.

RA7 - Ser capaz de predecir nuevas estructuras cristalinas usando diversos métodos.

1. Introducción: conceptos generales sobre Hamiltonianos de sólidos y moléculas, funciones de onda, el problema de muchos cuerpos, los métodos de Hartree-Fock e interacción de configuraciones.

2. Teoría del funcional de la densidad: teoremas de Hohenberg-Kohn, ecuaciones de Kohn-Sham, funcionales de intercambio-correlación, bases, on- das planas/orbitales localizados, pseudopotenciales, limitaciones de la teoría del funcional de la densidad.

3. Métodos empíricos y semiempíricos: aproximación del enlace fuerte, potenciales de pares y de muchos cuerpos, potenciales de orden de enlace.

4. Métodos de dinámica molecular: fuerzas, estática y dinámica molecular, dinámica molecular acelerada, aproximaciones de grano grueso en la dinámica, dinámica molecular cuántica.

5. Métodos atomísticos generales: teoría de los estados de transición, métodos de campos de fuerza, dinámicas de red y de espín, defectos de red, paisajes energéticos.

6. Escalas temporales y espaciales grandes: Monte Carlo cinético, dinámica de dislocaciones, elementos finitos.

7. Métodos multiescala: jerárquicos, QM/MM, modelos de grano grueso, AdRes, modelos cuasicontinuos, modelos continuos informados atomísticamente.

8. Simulaciones de alto rendimiento: aprendizaje automático, big data.

9. Predicción de estructuras cristalinas: recocido simulado, metadinámica, algoritmos evolutivos y genéticos, muestreo aleatorio, saltos entre cuencas en las superficies de energía, iniciativas en genómica de materiales.

- La Metodología docente se estructura en cuatro tipos de actividades formativas:

Clases expositivas: Impartidas al grupo completo de alumnos, no necesariamente como lección magistral, sino procurando una participación activa del alumnado en la dinámica de las mismas. Se desarrollarán los contenidos teóricos de la asignatura, combinados con la resolución de problemas y ejercicios. Se utilizará la pizarra y los diferentes medios audiovisuales. Las competencias asociadas que se desarrollarán con esta actividad formativa son: CG1, CG2, CG3, CG4, CG5, CG6, CG7, CB6, CB7, CB8, CB9, CB10, CE1, CE2, CE3, CE4, CE5. Número total de horas: 33.

Prácticas de Laboratorio: Se realizarán cuatro sesiones de prácticas de laboratorio en las que se llevarán a cabo simulaciones con distintos programas y aproximaciones explicados en las clases expositivas. Las competencias asociadas que se desarrollarán con esta actividad formativa son: CG1, CG2, CG3, CG4, CG5, CG6, CG7, CB6, CB7, CB8, CB9, CB10, CE1, CE2, CE3, CE4, CE5. Número total de horas: 8.

Tutorías grupales: Se realizarán dos sesiones de tutorías grupales de una hora cada una en las que los estudiantes trabajarán y exprondrán sus resultados sobre las tareas subidas al campus virtual con antelación, además de resolver las dudas que tengan sobre los contenidos expuestos en las clases expositivas y prácticas de laboratorio. Las competencias asociadas que se desarrollarán con esta actividad formativa son: CG1, CG2, CG3, CG4, CG5, CG6, CG7, CB6, CB7, CB8, CB9, CB10, CE1, CE2, CE3, CE4, CE5. Número total de horas: 2.

Evaluación: En la sesión de evaluación los estudiantes presentarán de manera individual ante el resto de la clase los trabajos/proyectos que hayan realizado de entre los propuestos por el profesorado. Número total de horas: 2.

- La docencia de la asignatura se impartirá parte en español y parte en inglés.

- De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir actividades de docencia no presencial. En cuyo caso, se informará al estudiantado de los cambios efectuados.

1. Convocatoria ordinaria

Para aprobar la asignatura en la convocatoria ordinaria es necesario obtener una puntuación igual o superior a 50 sobre 100, de acuerdo con los baremos explicados a continuación.

  • Trabajo/proyecto. 35 puntos. Se evaluará un trabajo escrito sobre algún tema relacionado con los contenidos de la asignatura propuesto por el/los profesores.
  • Presentación oral del trabajo/proyecto. 30 puntos. Se evaluará la presentación individual del trabajo/proyecto propuesto.
  • Trabajo en las prácticas de laboratorio. 30 puntos. Se evaluará presencialmente el trabajo, actitud y participación en las sesiones de laboratorio.
  • Asistencia y participación en las clases expositivas. 5 puntos. Se evaluará la asistencia y participación activa de los alumnos durante las clases expositivas.

2. Convocatorias extraordinarias

Los alumnos que no hayan aprobado la convocatoria ordinaria pueden aprobar la asignatura en una de las convocatorias extraordinarias. Para ello deben obtener una puntuación igual o superior a 50 sobre 100, de acuerdo con los baremos explicados a continuación.

  • Trabajo/proyecto. 35 puntos. Se evaluará un trabajo escrito sobre algún tema relacionado con los contenidos de la asignatura propuesto por el/los profesores.
  • Presentación oral del trabajo/proyecto. 30 puntos. Se evaluará la presentación individual del trabajo/proyecto propuesto.
  • Prácticas de laboratorio. 35 puntos. Se evaluará el trabajo hecho en las prácticas de laboratorio mediante una prueba presencial.

- Aquellos alumnos que hayan realizado a lo largo del curso las distintas actividades evaluadas, podrán optar por conservar dichas calificaciones, aplicándose los mismos porcentajes que en la convocatoria ordinaria.

- De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir métodos de evaluación no presencial. En cuyo caso, se informará al estudiantado de los cambios efectuados.

  • Electronic Structure. Richard M. Martin. Cambridge University Press (2012).
  • Computational Physics. Jos M. Thijssen. Cambridge University Press (1999).
  • Modeling Materials: Continuum, Atomistic and Multiscale Techniques. Ellad B. Tadmor, Ronald E. Miller. Cambridge University Press (2012).
  • Introduction to Computational Materials Science. Richard Le Sar. Cambridge University Press (2013).