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Prof. Dr. Nils Blümer |

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Achtung: viele Informationen auf diesen Seiten sind veraltet! Für aktuelle Informationen über Nils Blümer siehe Webseiten der KU.
Computersimulationen in der Statistischen Physik
Vorlesung im Wintersemester 2006/2007
N. Blümer, W. Paul
Stundenzahl: 3 V + 1 Ü
Zeit und Ort: Di, Do 10 - 12 Uhr, Seminarraum A (Staudingerweg 9, 01-219)
Zielgruppe: Studierende im Hauptstudium, Doktoranden
Univis-Eintrag: siehe Liste der Lehrveranstaltungen von N. Blümer im WS 2006/2007
Sprechstunde: jeweils nach der Vorlesung und nach Vereinbarung
Hinweise: Die Vorlesung wird in englischer
Sprache abgehalten.
Contents / lecture notes
- Lecture 1 (2006/10/24)
- Lecture 2 (2006/10/26)
- Continuation of chapter 1: mathematical excursion, estimates for mean and variance of data, autocorrelation (NB, lecture notes: comp-sim-ws0607-v02.pdf)
- Unbiased variance estimator for uncorrelated data
- Homework: check bias of variance estimator for autocorrelated data
- Lecture 3 (2006/10/31)
- Continuation of chapter 1: variance of data and error of mean (NB, lecture notes: comp-sim-ws0607-v03.pdf)
- Brief introduction to sample codes, sample data analysis
- Statistics formulas
- Homework: analysis of 6 data sets
- Random number generators I (WP)
- Lecture 4 (2006/11/02)
- Random number generators II (WP)
- Analysis of RNGs in physics simulations
- Lecture 5 (2006/11/07)
- Solutions for homeworks: comp-sim_hw2.pdf
- Alternative analysis method for autocorrelated data: blocking analysis
- chapter 2: Monte Carlo simulations - simple Monte Carlo, random walks (WP)
- Lecture 6 (2006/11/09)
- nonreversal random walks (NRRW), self-avoiding random walks (SAW), biased sampling(WP)
- Boltzmann weight in statistical physics
- stochastic processes
- Lecture 7 (2006/11/14)
- Markov processes(WP)
- Metropolis transition rule
- Lecture 8 (2006/11/16)
- Lecture 9 (2006/11/21)
- phase transitions: classification, impossibility in finite systems, critical exponents
- Ising model: relation to general spin models, ..., mean-field solution
- Lecture 10 (2006/11/23)
- Ising model, cont'd (NB, lecture notes: comp-sim-ws0607-v10.pdf)
- solution in 1 D for open bc's (B=0)
- solution in 1 D for periodic bc's using transfer matrices (arbitrary B)
- sketch of solution for 2 D square lattice using duality transformation (Kramers, Wigner, 1941); critical exponents
- For more details on analytic solutions of the Ising model (also: high- and low-temperature expansions), see chapter 4.8 of lecture notes Statistische Thermodynamik by Prof. van Dongen.
- boundary conditions (periodic, open, screw, antiperiodic, fixed/mean-field)
- Metropolis Monte Carlo simulation of the Ising model using single-spin flips
- homework: MC simulation of 2 D square lattice Ising model (see below)
- Lecture 11 (2006/11/28)
- Ising model, cont'd (NB, lecture notes: comp-sim-ws0607-v11.pdf)
- critical temperatures for various lattice types
- practical aspects of Monte Carlo
- finite-size scaling
- Lecture 12 (2006/11/30)
- Lecture 13 (2006/12/05)
- Lecture 14 (2006/12/07)
- Lecture 15 (2006/12/19)
- Lecture 16 (2006/12/21)
- Lecture 17 (2007/01/09)
- Lecture 18 (2007/01/11)
- Lecture 19 (2007/01/16)
- Cluster MC methods: Fortuin-Kasteleyn partition function, Swendsen-Wang cluster MC algorithm, Wolff cluster MC algorithm
- Numerical comparison of single-spin flip versus Wolff cluster updates: comp-sim_Wolf.pdf
- Implementation: mc_Ising_2D.c.html
- Lecture 20 (2007/01/18)
- MD simulations for Lennard Jones systems
- Literature:
- Lecture 21 (2007/01/23)
- Lecture 22 (2007/01/25)
- Lecture 23 (2007/01/30)
- Lecture 24 (2007/02/01)
- Dissipative particle dynamics
- Quantum Monte Carlo simulations (script: see below)
- Lecture 25 (2007/02/06) (NB, lecture notes: comp-sim-ws0607-QMC1.pdf)
- Path Integral Monte Carlo I
- Lecture 26 (2007/02/08) Seminar talk
- Lecture 27 (2007/02/13) (NB, lecture notes: comp-sim-ws0607-QMC2.pdf)
- Path Integral Monte Carlo II
- Lecture 28 (2007/02/15)
Problem sets / Tutorials / Sample codes
- 2006/10/26 Variance estimator: bias for autocorrelated data? - yes!
- 2006/10/30 Data analysis: analyse the following sample data (solutions: comp-sim_hw2.pdf)
- set 1 (10, 100, 1000, 10000 numbers)
- set 2 (10, 100, 1000, 10000 numbers)
- set 3 (10, 100, 1000, 10000 numbers)
- set 4 (10, 100, 1000, 10000 numbers)
- set 5 (10, 100, 1000, 10000 numbers)
- set 6 (10, 100, 1000, 10000 numbers)
- 2006/11/09 Random walks on a lattice (solutions: comp-sim_hw3.pdf)
- Generate histograms of the end-to-end distance Re for random walks (generic or nonreversal) of length 100 on a 2 d cartesic lattice (using ~105-106 realizations)
- Compute the fractions of walks that are self-avoiding after the nth step: pSAW(n)
- 2006/11/23 Monte Carlo simulation of 2D Ising model (solutions: comp-sim_hw4.pdf)
- Write a Monte Carlo program for computing energy and magnetization of the 2 D square Ising model using single-spin flips (possibly using the template C program linked below).
- Compute E(T), |M(T)| in a useful temperature range for lattices with linear sizes between about 4 and 20 (or maybe 30)
- Plot Binder's 4th order cumulant U4(T) and determine Tc
- Optional: determine specific heat and susceptibility at selected temperatures
- raw statistics data: directory, README
- 2006/12/21 Molecular dynamics simulation (due date: 2007/01/11, solution: comp-sim_hw5.pdf)
- Write MD program for Lennard-Jones atoms (possibly using the template code linked below)
- Check program
- 2007/01/11 Molecular dynamics simulation (due date: 2007/01/18)
- Learn to use MD program (code below or own code) for Lennard-Jones atoms
- Check dependencies of observables on cutoff, number of particles, and time discretization
- Compute and plot (averaged) E(T), p(T) etc. in sensible range of temperatures (realized by different target energies) for density 0.6 and 256 particles
- Plot selected pair correlation functions and look for qualitative differences
- ...
- sample codes:
Ankündigung (aus kommentiertem Vorlesungsverzeichnis)
Inhalt der Vorlesung:
Diese Vorlesung behandelt die grundlegenden
Computersimulationsmethoden für Systeme vieler Teilchen,
insbesondere in der Theorie der kondensierten Materie. Im Bereich
der Probleme der klassischen Physik sind die wesentlichen beiden
Simulationsmethoden die Molekulardynamik-Simulation und die
Monte-Carlo-Simulation. Die erste ist eine deterministische Methode,
die zweite eine stochastische. Für beide gilt es, den theoretischen
Hintergrund zu verstehen, die Grundlagen ihrer numerischen Umsetzung
zu erarbeiten und die Tricks und Fallen in der praktischen Anwendung
kennenzulernen. Beide Methoden lassen sich zur numerischen Lösung
von Pfadintegralen auf quantenmechanische Vielteilchensysteme
verallgemeinern; gegen Ende der Vorlesung sollen diese
fortgeschrittenen Aspekte zur Sprache kommen und insbesondere die
Prinzipien der wichtigsten Quanten-Monte-Carlo-Algorithmen
vorgestellt werden.
Insbesondere in der zweiten Hälfte der Vorlesung berücksichtigen wir
bei der Themenauswahl gerne Vorkenntnisse und besondere Interessen
der Teilnehmer. Eine aktive Mitarbeit wird bei den (flexibel
stattfindenden) Übungen erwartet; außerdem sind Semesterprojekte
geplant, die von den Teilnehmern jeweils einzeln oder in kleinen
Gruppen durchgeführt und am Ende in kurzen Vorträgen präsentiert
werden.
Geforderte Vorkenntnisse: Klassische Mechanik, QM I, Statistische Thermodynamik
Literaturangaben
- M. P. Allen, D. J. Tildesley: Computer Simulation of
Liquids, Oxford Science Publications, 1997
- D. P. Landau, K. Binder: A Guide to Monte Carlo
Simulations in Statistical Physics, Cambridge University Press, 2005 (eBook, Hardback)
- D. Frenkel, B. Smit: Understanding Molecular Simulations, From Algorithms to Applications, Academic Press, San Diego, 2002
- D. Ceperley: Microscopic Simulations in Physics, RMP 71, S438 (1999)
Einordnung in Studien-- bzw. Prüfungsordnung:
Wahlpflichtvorlesung des Diplomstudiengangs, Vorlesung des Moduls
``Physik der Flüssigkeiten und Festkörper'' des
Masterstudiengangs Computational Sciences
Schein: Vergabe aufgrund der Teilnahme an Übungen und Semesterarbeit
Bemerkungen: Eine thematisch anschließende Vorlesung Moderne
numerische Methoden der Festkörperphysik ist im Sommersemester 2007
geplant. Über das Gebiet werden Diplom- und Doktorarbeiten vergeben.
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