應用第一原理於凝態材料理論與實作 - 物理系三年級 姚岳廷
課程名稱►應用第一原理於凝態材料理論與實作(一)、(二) 授課教師►理學院 鄭靜老師
心得分享者►物理系三年級 姚岳廷
核心知識
從古至今物理學家可大致分為兩類：理論物理學家及實驗物理學家。顧名思義，理論學家主要思考基礎的物理理論以及其延伸；實驗物理學家則透過實驗 找出新的物理定律，或驗證理論的預測。過去因為電腦尚未普及，理論學家僅能透過紙筆來計算或推導公式。若計算能力有限就需要將理論模型做大量的簡化。但過度簡化的模型會使得物理定律失去真實性(例如：在高中學重力時我們時常將空氣阻力忽略，但在地球上空氣阻力是影響實驗結果的一大因素)。
隨著電腦的普及和進化，讓人類的計算能力飛躍性的提升，理論方面的研究逐漸引入電腦做為計算工具，發展出由物理基本定律出發的「第一原理（First- Principle）計算」方法，藉此解決預測材料與分子的計算量非常大的問題。第一 原理由量子力學的薛丁格方程（Schrodinger equation）出發，加入不同的位能、給定不同的結構、選用不同的近似條件及切割方法，得到薛丁格方程的數值解，藉此計算不同結構與原子組成的各式物理性質。
課程概述與規範
「應用第一原理於凝態材料理論與實作」這門課是為時兩週的暑期模組化課程（第一週整天、第二週半天，共三學分）。介紹如何將第一原理應用在計算材料的物理特性上，藉此預測材料的物理性質，並以 Material Studio 做為計算軟體，來實際計算一些簡單的分子結構、晶格結構以及物理性質。 第一週的課程早上講解 DFT 以及欲預測之物理量的理論，下午以自己的筆電進行分組實作。評分方式為兩次個人作業+兩次小組作業。個人作業需列出幾 個自己新學到的知識點以及疑問；小組作業則是討論模擬的結果以及提出問題。 第二週的評分則為最後一天的小組報告，各組須選定一個問題，經由 Material Studio 的計算來解決各組的疑問，並上台報告。因為 Material Studio 的 license 只能藉由連接教室的網路進行計算，故雖然第二週的課只有上午，但同學下午都 會繼續留在教室計算與討論報告。
課程內容
鄭靜老師腦中的物理圖像很清楚，能將抽象的概念具體的表達出來。課程以 PPT 授課，內容紮實，不至於上得太快。重點概念會再三的強調，藉此加深印象， 老師也很樂於回答學生的問題。但課程內容有點多，從基礎的量子物理講起，搭 配固態物理的知識，引出一個核心的計算理論：密度泛函理論 (Density Functional Theory, DFT)。接著說明如何將 DFT 用於計算電子結構、晶體震盪、 聲子(Phonon)、Density of state、磁性、NMR、表面態(Surface state)、能帶結構(Band structure)，以及其物理概念。課程內容量大，短時間內很難全部吸收，但因為有實際以 Material Studio 算這些物理量以及調控參數，所以雖然很難將物理概念完全了解，但會對這些物理概念經由 DFT 的計算結果有一些印象，也能學著如何去判讀電腦計算的結果（收斂性）、及對應的物理圖像。例如 NMR這些用在實驗上的分析工具，也能藉由與理論的計算來與實驗做比對。
個人心得
1.課程制度
這是我個人修的第一門模組化三學分之課程，時間則延長至兩週，相比過去 的 1 或 1.5 學分之模組化課程，中間多了一個假日，可以將第一週的課程再複習 一遍，再銜接第二週的課程，個人覺得提高了一些學習成效，減緩了過去修模組 化一週的時間塞入太多知識，修完後知識很難留住的問題；有更長的接觸時間以 及經驗，較能對知識與技能有更深的思考時間以及沉澱。
2.學習內容
我在修這門模組化前兩個月，加入了系上做第一原理計算的 group 開始做 專題，因此修此門課對我來說有很直接的好處，能直接用在專題研究上。但這門 課的知識較艱澀，所以修完課之後，需要再額外花很多時間查相關的資料及問問 題、進一步的吸收課程的知識。此外，我們 group 用的 DFT 計算軟體為 VASP， 與課程使用的 Material Studio 不同，我藉此比較了兩套 DFT 計算軟體的差異：VASP 沒有圖像化、直覺式的使用者介面，需要直接面對一大堆的參數及文字，自行打 file 作為 Input、得到的結果自行寫 code 來進行資料處理，對新手而言較不容易上手，但能搭配 LINUX 伺服器來運算與管理，可以做到較複雜的計算；而 Material Studio 有很方便的使用者界面，也有寫好的 code 去處理計算後的 資料，並視覺化成容易閱讀的圖表，對新手較友善，然而比較耗計算資源，所以 電腦硬體較差的話所花的時間就偏長，也比較難做到複雜結構的運算（但我不確 定 Material Studio 是否可接伺服器來運算）。
第一原理的計算大量用於化學及物理上，雖然對於初學者來說理論較難懂， 在課程學習上有一定的難度，但因為上課搭配了軟體計算來實作，所以雖然對於 背後的運算原理可能無法僅僅透過一堂課就瞭解透徹，但能很實際的去親自計算 一些簡單的問題，並感受第一原理的強大的應用性。雖然上手難度較高，軟體大 多也所費不貲，但這門課仍然值得推薦給：想瞭解科學家如何運用電腦以及基礎 的物理理論去做物理性質的預測的學生。
關鍵字 #成大模組化#第一原理計算 #凝態物理 #Material_Studio #三學分模組化
