计算物理论文材料_关于计算物理的论文
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计算物理学与应用学科“十二五”发展规划
（2011-2015）
一、学科简介
计算物理学与应用是隶属于物理学一级学科的一个二级学科，学科代码“140.75”。相关的学科有“原子与分子物理”、“无线电物理”、“计算数学”等，是兰州城市学院重点学科（B级），也是理工科学科群中特色鲜明的优势学科。
二、研究方向
计算物理学与应用学科目前开展三个研究方向，其主要研究任务是：
（一）研究方向1：纳米材料的计算机模拟；学科带头人：郑小平教授
1.研究意义和研究目标
计算机模拟是计算机技术的一个重要应用领域，具有高效、快捷、经济等多方面的优点。用计算机模拟研究材料是集计算机科学、计算数学、材料科学、表面科学、物理化学于一体的一门新兴的交叉学科，用Kinetic Monte Carlo算法模拟薄膜生长是计算材料科学的一个研究热点。
在薄膜生长过程中如果引入少量的表面活性剂时，薄膜生长会表现出与没有表面活化剂时完全相反的特征，对于这种反常效应，传统的DLA理论已经不能解释其微观机理。虽然近年来提出的RLA理论对这种反常效应给出了比较满意的解释，但是DLA与RLA这两个模型完全不同，揭示的规律正好相反。在DLA模型中，成核受到扩散作用的限制；而在RLA模型中，形核主要受到交换作用的限制，目前对薄膜生长的微观机理尚存在许多质疑。
本科研方向以扩散理论为基础，以DLA模型为原型，吸收RLA理论的部分合理成份，结合实验上AFM、STM观察的最新发现，建立以“基本微观过程”为核心的新模型，模型中考虑了许多新的微观机制，如“连带作用”、“亚稳态”、“非最低能量选择”、“近似交换”和“完全交换”等，并利用新模型，通过Kinetic Monte Carlo方法对正常效应、反常效应的实验现象进行模拟计算。
（二）研究方向2：地球物理材料的计算机模拟；学科带头人：刘子江副教授（博士）
1.研究意义
地球是目前太阳系中唯一适合人类生存的一颗行星。生活在地球上的人类，无时不感受到地球为我们提供创造物质文明的可贵自然资源和得以免遭太阳或其它恒星发射来的带电粒子流辐照伤害的地磁场外层空间保护屏障的恩赐，也不时会感受到由火山、地震、泥石流等自然灾害对安全、财产、甚至生命可能造成的威胁。究其原因，上述自然现象无一不与地球深部物质尤其是地核物质的组分、物质、状态，以及由此诱发的物质运动密切相关。它给我们的一个重要启示是：深化对地球深部物质的性质及其运动规律的认识，有助于提高人类改善生活质量，增强人类改造世界、造福人类自身的能力。另外，组成地球的主要物质，还在国民经济中具有非常实际的应用价值，如CaSiO3钙钛矿还是陶瓷制作、人造骨头和牙根的医用材料、以及高频绝缘
体、树脂制品和整形外科的填充材料等；CaCO3广泛应用于工业、医用移植和
生物光电子学领域等等。所以今后六年主要研究深部地球物理材料在高压下的性质，简单地说就是凝聚态物理的高压物理。
2.研究目标
（1）地球物理材料的结构；
（2）地球物理材料的相变；
（3）地球物理材料的状态方程；
（4）地球物理材料的弹性性质；
（5）地球物理材料的高压熔化；
（6）地球物理材料的热力学特性；
（7）地球物理材料的电子结构和光学性质。
（三）研究方向3：计算微波和电磁场计算技术；学科带头人：姬五胜教授
本研究方向确立科研攻关方向为：波概念迭代法的研究和在微波电路中的应用
1.研究意义
波概念迭代法（WCIP）是一种基于波概念的新的迭代方法。它是在平面不连续性问题的背景下发展起来的，能够较好的解决微波电路不连续性所造成的散射问题，特别是在障碍物尺寸与波长相近时。WCIP通过电场和电流密
度引入入射波和反射波，并在第 次和 次的入射波和反射波之间建立起转换的递归关系式。当存储的各次叠加波收敛时停止循环，最后可得到空气和介质交界面上的电流密度和电场。在迭代过程中，WCIP以快速傅立叶变换实现波在空域和谱域之间的转换，这使得WCIP既提供了对电路描述的多功能性，又保证了多层结构的可靠表述。较之有限元法、矩量法、FDTD等常用数值分析方法，WCIP通过定义有效的周期性关系来减少计算的复杂度和内存的使用量；同时，由于波在空域与谱域之间转换的过程中运用了二维快速傅里叶变换，使得整个迭代过程的计算速度大大提高。因此这种方法对不同结构的微波多层电路有很强的适用性，有着广泛的应用意义。
2.研究目标：（1）深入研究波概念迭代法的理论原理和迭代过程。主要包括激励源设置，空域散射矩阵的计算，谱域反射系数的计算，2D-FFT和2D-IFFT对散射波在空域和谱域之间的搬移过程，参考面上电磁场参数、导纳矩阵、散射参数的提取等。
（2）通过分析研究，编写能够适用于多层电路结构的波概念迭代法通用程序。
（3）开发波概念迭代法在多层电路方面的新应用。
三、学术团队
“计算物理学与应用”学科自2006年被学校确定为重点学科（B类），经过三年的建设，已拥有三个稳定的研究方向，形成了较为稳定的科研团队。本学科现有科研人员24人，有教授6人，副教授4人，其中博士8人（含在读3人），硕士12人。科研队伍职称结构、学历结构较为合理，且比较年轻。
（一）研究方向一：纳米材料的计算机模拟
学科带头人：郑小平教授，博士后，硕导
成员：王恩涌教授、王培煜博士，田东斌（博士，在读）、董向成等
（二）学科方向二：地球物理材料的计算机模拟
学科带头人：刘子江副教授，博士
成员：吴学勇、熊旭军、魏秀芳（硕士）、张正荣（在读博士）、郭中华（硕士）、陈丽（硕士）、周玲（硕士）、陈建宏（在读博士）等
（3）学科方向三：计算微波和电磁场计算技术
学科带头人：姬五胜教授，博士，硕导
成员：雒向东教授（博士）、施树春教授、赵海阔、张妍（硕士）、赵宇杰（硕士）、赵彦敏（硕士）、石蕊（硕士）、李慧芳（硕士）等
四、研究平台
（一）计算材料科学与计算机模拟的研究平台
材料计算与设计(Materials Computation Design)是指以计算机为手段，通过理论与计算预报新材料的固有性质、结构与组分、使用性能以及合成与加工进行综合研究的一门新学科，其目的在于使人们能主动地对材料结构与功能的优化与控制，以便按需要制备新材料。由于现代科学的深入发展，以及计算机能力的空前提高，材料计算与设计已成为现代材料科学中最活跃的一个重要分支。
郑小平教授主持的纳米材料计算机模拟研究，以扩散理论为基础，以DLA模型为原型，吸收RLA理论的部分合理成份，结合实验上AFM、STM观察的最新发现，建立以“基本微观过程”为核心的新模型，模型中考虑了许多新的微观机制，如“连带作用”、“亚稳态”、“非最低能量选择”、“近似交换”和“完全交换”等，并利用新模型，通过Kinetic Monte Carlo方法对正常效应、反常效应的实验现象进行模拟计算。该研究对薄膜生长的微观机理提供理论依据，也对探索薄膜生长的科学实验和最佳工艺条件提供了重要的理论依据。
刘子江博士主持的地球物理材料在高压下的性质，模拟和计算地球物理材料的结构、相变、状态方程、弹性性质、高压熔化、热力学特性电子结构和光学性质。这些研究深化对地球深部物质的性质及其运动规律的认识，有助于提高人类改善生活质量，增强人类改造世界、造福人类自身的能力。对地球物理材料如CaSiO3钙钛矿的研究，有助于这些材料在工业、医用移植和
生物光电子学领域的应用。
（二）计算微波与计算电磁学研究平台
计算微波和计算电磁学涉及微波技术和电磁学的各个领域，与电磁场工程、微波技术、电磁场理论互相联系、互相依赖。计算微波与计算电磁学能够解决实际电磁场工程、微波工程中越来越复杂的电磁场问题的建模与仿
真、优化设计，为电磁场理论研究提供数值及解析算法的方法和手段。计算电磁学已成为对复杂体系的电磁规律、电磁性质进行研究的重要手段，为电磁理论研究开辟新的研究途径，推动了微波工程、电磁场工程的发展。
姬五胜教授主持的波概念迭代法（WCIP）的研究及其在微波电路中的应用，深入研究波概念迭代法的理论原理和迭代过程。主要包括激励源设置，空域散射矩阵的计算，谱域反射系数的计算，2D-FFT和2D-IFFT对散射波在空域和谱域之间的搬移过程，参考面上电磁场参数、导纳矩阵、散射参数的提取等，能够较好的解决微波电路不连续性所造成的散射问题，特别是在障碍物尺寸与波长相近时。WCIP通过定义有效的周期性关系来减少计算的复杂度和内存的使用量；同时，由于波在空域与谱域之间转换的过程中运用了二维快速傅里叶变换，使得整个迭代过程的计算速度大大提高。通过分析研究，开发能够适用于多层电路结构的波概念迭代法通用程序，拓展波概念迭代法在多层电路方面的新应用。
五、计算物理学与应用学科的发展规划
在未来6年，计算物理学与应用学科发展的方向是：找准学科定位，认清自身学科优势，瞄准国家战略需求、甘肃省经济社会的发展需求及学校教学科研的服务需求，以前沿性创新课题和应用项目为载体和纽带，在创新研究中，进一步凝聚学术团队，推进学科交叉，凝练学科发展方向，培育新的增长点，为学科建设和硕士学位点的申报打下坚实的基础。争取在高水平的科研项目（尤其是服务甘肃经济社会的应用项目）、高质量的学术论文、高层次的科研奖励方面有较大的突破。争取在2012年使“计算物理学与应用”学科成为兰州城市学院A级重点学科。
具体发展目标:
2010-2012年，夯实基础研究，为学科发展打下良好的基础。保质保量完成2007-2009年已申报成功课题，以课题带动科研攻关，使科研团队规模进一步壮大。“计算物理学”重点学科要找准更高突破口，学科带头人申报国家级课题3项，团队成员申报省、厅级课题4-6项，争取在国家级课题上有较大突破，进一步凝练学科方向，形成稳定的学科团队。在2012年末，学院被SCI、EI收录论文的数量有较明显增长，争取在甘肃省高校科技进步
奖的获奖上有增长。
2013-2015年，不断凝练学科方向，凝聚稳定的科研团队，提升学科优势。在完成2010-2012年成功申报课题的基础上，立足甘肃经济社会发展需求，在新计算技术、计算方法在物理学、电子学新领域中的应用等方面积极申报应用性项目（横向课题），不断扩大学科在省内的影响力。申报国家级课题3项，申报甘肃省科技支撑计划、兰州市科技发展计划等地方项目3-4项，“计算物理学”学科申报国家科技攻关计划、国家科技支撑计划1-2项。学院发表高质量论文期刊的影响因子有新的突破，争取有新计算方法及应用的专著问世，争取在甘肃省科技进步奖、甘肃省自然科学奖的获奖上有突破。
六、存在的问题
1、学科团队已经形成，学科带头人已经发挥作用，但是科研基础较好的研究人员偏少，年轻研究人员的研究能力有待进一步提高，在同一个研究方向开展研究的凝聚力不强，影响了整体科研实力。
2、资金短缺，学校对研究所没有一次性的大幅度投入；研究所缺乏高级仿真软件和仿真平台以及相关实验仪器支撑，从而影响和制约学科建设进程和质量。
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