Schválené projekty 2019

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2019

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 404 010 Kč

Z toho 0,18 % - 99 192 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 433 100
EKF  3 711 635
FAST  2 600 000
FS   8 127 164
FEI 15 797 594
HGF   5 859 651
FMT  7 597 824
VC 10 177 850
CELKEM 55 304 818

KódSP2019/162
Název projektuInternacionalizace doktorského vzdělávání v oblasti molekulové fyziky II
ŘešitelMrovec Martin Ing.
Školitel projektuprof. RNDr. René Kalus, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2019 - 31.12.2019
Předmět výzkumu1. Předmět výzkumu v rámci projektu

Projekt se zaměřuje na podporu internacionalizace doktorského vzdělávání v oblasti molekulové fyziky. Finanční podpora se týká následujících studentů: A) Martin Beseda - stávající doktorský student IT4I v režimu Cotutelle společně s Université Toulouse III Paul Sabatier (UPS), který se zabývá ab initio výpočty potenciálových nadploch s využitím softwaru Molpro a jejich reprezentací metodami strojového učení, B) Libuše Horáčková – studentka doktorského studijního programu Výpočetní vědy v rámci IT4I, jež se zabývá řešením problémů kvantové fyziky za využití metod strojového učení, C) David Vojtek – magisterský student oboru Informatika a výpočetní technika v rámci FEI VŠB-TU, jenž se spolupodílí na vývoji a testování nástrojů pro aplikace metod strojového učení. Kromě přímé finanční podpory formou stipendií budou podpořeny výjezdy na spolupracující zahraniční pracoviště (UPS) a účast a prezentace výsledků dosažených za dosavadní spolupráce na mezinárodních konferencích, přičemž tato podpora se týká i dalších členů týmu, doktorských studentů (Martin Mrovec, Rajko Ćosić, Stanislav Paláček). Projektů se dále účastní vedoucí týmu a současně odborný garant projektu (René Kalus) a výzkumný pracovník IT4I (Aleš Vítek) především za účelem poskytnutí odborných znalostí z oblasti kvantové fyziky a molekulových simulací. Do rozpočtu projektu je zahrnut i nákup odborné literatury, která poslouží k rozšíření odborných znalostí všech členů týmu.

2. Kvalifikace členů řešitelského týmu a role v rámci projektu

Navrhovatel projektu (MM) a zároveň člen projektového týmu je v současnosti studentem 4. ročníku doktorského studia Výpočetní a aplikovaná matematika (KAM FEI). Je absolventem studijního oboru Výpočetní matematika (KAM FEI), kde v rámci magisterského studia absolvoval kurzy matematických metod a paralelního programování. Náplní doktorského studia jsou matematické metody modelování elektronových struktur (tenzorové metody, optimalizační algoritmy). V oblasti tenzorových metod publikoval článek [1] v časopise evidovaném v databázi SCOPUS a další článek [2] je publikován v časopise s impakt faktorem. V oblasti optimalizačních algoritmů prezentoval jeden konferenční příspěvek (bude publikován v Lecture Notes in Electrical Engineering) a momentálně je rozpracován jeden článek na aplikace optimalizačních algoritmů pro řešení Kohnovy-Shamovy rovnice, jenž bude zaslán do časopisu s impakt faktorem. Práce na těchto publikacích byla podpořena předcházejícími projekty SGS. Během roku 2018 spolupracoval s výzkumným pracovištěm na Université Toulouse III Paul Sabatier (UPS), a to v rámci jednoho čtyřtýdenního a jednoho dvoutýdenního zahraničního výjezdu. Obhajobu disertační práce v roce 2019 plánuje.

Odborný garant projektu (RK) je starším výzkumníkem (senior researcher) v IT4I. Je odborníkem v oblasti modelování neadiabatických procesů molekulové dynamiky (fotodynamika [3], srážková dynamika [4, 5, 6, 7]). Má dostatečné zkušenosti s využitím kvantových metod ke studiu strukturních a termodynamických vlastností atomových [8] a molekulových [9] klastrů. V rámci projektu vystupuje rovněž jako školitel zúčastněných doktorských studentů.

Členem týmu je výzkumný pracovník IT4I (AV), který je odborníkem v oblasti termodynamických simulací atomových a molekulových mikrosystémů metodami Monte Carlo [10] a aplikací metod kvantové che-mie v simulacích mezimolekulových interakcí [11]. V rámci projektu bude studentům poskytovat odborné znalosti kvantověchemických výpočtů a molekulových simulací.

Součástí týmu jsou studentka (LH) a student (MB) doktorského programu Výpočetní vědy (IT4I) kteří budou čerpat podporu z tohoto projektu. První jmenovaná (LH) je absolventkou magisterského studijního programu Nanotechnologie v rámci VŠB-TU a také magisterského studijního programu Matematika a její aplikace (Univerzita Palackého v Olomouci). V současnosti je studentkou 1. ročníku. Věnuje se řešení Schrödingerovy rovnice za využití metod strojového učení a dynamickými systémy se zpožděnou odezvou a vyhasínající pamětí. Druhý jmenovaný (MB) je absolventem magisterského studijního oboru Výpočetní matematika (FEI VŠB-TU) a v současnosti je studentem 2. ročníku, přičemž studium je od akademického roku 2018/2019 realizováno v režimu Cotutelle společně s UPS. V rámci doktorského studia se věnuje ab initio výpočtům potenciálových nadploch s využitím softwaru Molpro. Dále pracuje na vývoji a testování nástrojů pro aplikace metod strojového učení v úlohách kvantové fyziky.

Dalšími podpořenými členy týmu jsou dva studenti (RĆ, SP) doktorského programu Výpočetní a aplikovaná matematika (KAM FEI). První ze jmenovaných se v rámci doktorského studia věnuje simulacím nabitých heliových a neutrálních rtuťových klastrů metodami Path Integral Monte Carlo. Simulace byly využity k výpočtům fotoabsorpčních spekter vybraných klastrů a výsledky byly publikovány v impaktovaných časopisech [12, 13]. Již dlouhodobě spolupracuje s výzkumnými pracovníky Université Paris-Est Marne-la-Vallée (UPEM) a v roce 2017 navázal novou spolupráci s Instituto di Física Fundamental (IFF), CSIS, Madrid. Na rok 2019 plánuje obhajobu disertační práce. Druhý jmenovaný (SP) se v rámci svého doktorského studia věnuje vývoji a testování paralelní knihovny MULTIDYN 3.0 pro studium neadiabatických jevů při srážkových simulacích a její následnou aplikací na studium zářivých přechodů při sráž-kách CH4 + O+ a N2+ + He+. Tyto simulace jsou prováděny ve spolupráci s výzkumníky z UPS a Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Členem týmu je i absolvent (DV) bakalářského studijního oboru Informatika a Výpočetní Technika (FEI VŠB-TU) přičemž ve svém studiu zde dále pokračuje v rámci navazujícího magisterského programu. Ve své bakalářské práci se věnoval (pseudo)analytické reprezentaci ab initio dat, přičemž tato práce byla spoluvedena výše uvedeným členem týmu (MB). V rámci týmu se spolupodílí na vývoji a testování nástrojů pro aplikace metod strojového učení.

Odpovědnost doktorských studentů v rámci projektu je následující:
• MB: ab initio výpočty potenciálových nadploch a tranzitních dipólových momentů kolizního komplexu [N2/He]+,
• SP: neadiabatické molekulové simulace srážek N2+ + He+ a výpočty účinných srážkových průřezů,
• MM: rozvoj a implementace matematických metod v rámci zobecněné Kohnově-Shamově teorie,
• RĆ: simulace metodou Path Integral Monte Carlo s využitím kvantově-chemických potenciálů,
• LH: řešení Schrödingerovy rovnice za použití metod strojového učení.

První tři výzkumné činnosti budou probíhat ve spolupráci s výzkumným pracovištěm na UPS, čtvrtá uve-dená ve spolupráci s UPEM.

3. Impakt navrhovaného projektu

Výše uvedené simulace srážek atomových a molekulových iontů (výpočty SP) s využitím efektivních reprezentací potenciálových nadploch (MB) poskytují výsledky, jež mají v rámci dlouhodobé spolupráce s laboratořemi UPS uplatnění při optimalizaci generátorů nízkoteplotního plazmatu s širokým biomedicinským využitím.

Výsledky simulací metodami Monte Carlo (RĆ, AV) atomových klastrů mají velký význam v několika od-větvích. V případě klastrů helia lze nalézt uplatnění v oblasti ultrachladné chemie ve výzkumu supratekutých nanokapek helia [14]. Fyzikální chování klastrů rtuti se vyznačuje několika specifiky, která ji odlišují od příbuzných chemických prvků [13]. Z důvodů extrémní výpočetní náročnosti je v případě větších klastrů použití ab initio metod prakticky nemožné. Pro simulace metodami Monte Carlo se používají vysoce přesné empirické a semiempirické potenciály, které vedou k dostatečné shodě výpočtu s experimentem.

Problematika ab initio výpočtů elektronových struktur nespočívá pouze v jejich výpočetní náročnosti. I v jednoduchých modelových úlohách se můžeme setkat s nestabilitou standardně používaných iteračních metod (např. metody založené na DIIS [15]). Vývoj spolehlivých alternativních přístupů, jako jsou optimalizační metody (MM ve spolupráci s UPS) nebo využití metod strojového učení (LH), je proto nesmírně důležitý.

4. Souvislost s HPC a využití infrastruktury IT4I

Pro plnění cílů výzkumných záměrů je nezbytné využívat výpočetní infrastruktury IT4I, přičemž výpočetní čas je získáván zpravidla formou Veřejné grantové soutěže IT4I. V současné době je týmu přiděleno 2214000 jádrohodin v rámci projektů OPEN-13-2 (hlavní řešitel Cyril Van de Steen, aktuálně absolvent doktorského programu Výpočetní vědy), OPEN-13-31 (hlavní řešitel RĆ), OPEN-14-20 (hlavní řešitel RK), OPEN-14-25 (hlavní řešitel MB) a OPEN-14-31 (hlavní řešitelka LH). Do dalších grantových soutěží byly zaslány projekty, u nichž se předpokládá alokace přes 1000000 jádrohodin. Získaný výpočetní čas je využíván především k výpočtům a simulacím prováděným jednak pomocí existujících softwarových balíků pro kvantově-mechanické výpočty (NWCHEM, MOLPRO), jednak s využitím vlastních vyvíjených softwarových řešení. Ta zahrnují programy MULIDYN 3.0, knihovny pro Monte Carlo simulace, knihovny pro výpočty elektronových struktur a knihovny pro aplikace metod strojového učení, přičemž jejich testování probíhalo v rámci předchozích výpočetních projektů Veřejné grantové soutěže IT4I.

5. Odůvodnění finančních požadavků

Formou stipendií budou podpořeni A) Libuše Horáčková, studentka doktorského studijního programu Výpočetní vědy v rámci IT4I (podpora z rozpočtu projektu po dobu 12 měsíců), B) Martin Beseda, student doktorského studijního programu Výpočetní vědy v rámci IT4I společně s UPS v režimu Cotutelle (podpora z rozpočtu projektu mimo dobu pobytu na UPS, tj. 6 měsíců), C) David Vojtek, student navazujícího magisterského studijního programu Informatika a výpočetní technika v rámci FEI VŠB-TU Ostrava (podpora z rozpočtu projektu mimo dobu zahraničního pobytu, tj. 5 měsíců).

DHM jsou určeny na nákup odborné literatury. Mezi plánovanými publikacemi k zakoupení jsou A) Handbook of Nanophysics: Principles and Methods (ISBN 9781138117853), B) Handbook of Nanophysics: Clusters and Fullerenes (ISBN 9781138115101), C) Numerical Recipes (ISBN 9780521880688), D) Tensor Numerical Methods in Scientific Computing (ISBN 9783110370133), E) Tensor Spaces and Numerical Tensor Calculus (ISBN 978-3-642-28027-6), přičemž konkrétní výběr publikací bude upřesněn v průběhu čerpání projektu.

Cestovní náklady jsou určeny jednak na financování studentských výjezdů na spolupracující univerzity, jednak na pokrytí nákladů souvisejících s účastí na mezinárodních konferencích. Plánuje se aktivní účast na mezinárodních konferencích A) Pareng 2019, Pécs, Maďarsko, B) HPCSE 2019, Soláň, Česká Republika, C) CESTC 2019, Schlaining, Rakousko. U výjezdů na spolupracující univerzity se očekává jeden čtyřtýdenní, resp. dva dvoutýdenní výjezdy studentů: A) Martin Mrovec (UPS), B) Stanislav Paláček (UPS). Výběr studentů, resp. délka výjezdu, budou upřesněny na základě dostupnosti financí z dalších zdrojů (Barrande, Věda bez hranic).

6. Literatura

[1] Adv. Elect. Electr. Eng. 15 (2017) 2235
M. Mrovec, Tensor Approximation of Slater-Type Orbital Basis Functions.

[2] Appl. Math.-Czech DOI: 10.21136/AM.2017.0177-17
M. Mrovec, Low-rank tensor representation of Slater-type and Hydrogen-like orbitals

[3] Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (2015) 32413
M. Stachoň, A. Vítek, R. Kalus, Photodissociation of medium-sized argon cluster cations in the visible region.

[4] J. Chem. Phys. 141 (2014) 134302
A. Chicheportiche, M. Stachoň, M. Benhenni, F. X. Gadea, R. Kalus, M. Yousfi, First principles transport coefficients and reaction rates of Ar2+ ions in argon for cold plasma jet modeling.

[5] Phys. Chem. Chem. Phys. (2017) 25423
I. Janeček, M. Stachoň, F. X. Gadéa, R. Kalus, Fragmentation of KrN+ clusters after electron im-pact ionization II. Long-time dynamics simulationsof Kr7+ evolution and the role of initial electronic excitation.

[6] J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51 (2018) 185204
C. V. de Steen, M. Benhenni, R. Kalus, B. Lepetit, F. X. Gadéa, M. Yousfi, Calculations with exper-imental validations of cross-sections and transport coefficients of Xe+ colliding with Xe

[7] Plasma Sources Sci. Technol. 27 (2018) 065005
C. V. de Steen, M. Benhenni, R. Kalus, B. Lepetit, F. X. Gadéa, M. Yousfi, Quantum and semi-classical collision cross-sections and transport data for a Kr+/Kr system

[8] J. Chem. Phys. 139 (2013) 204310
R. Kalus, F. Karlický, B. Lepetit, I. Paidarová, F. X. Gadéa, Photoabsorption spectrum of helium trimer cation. Theoretical modeling.

[9] Comp. Phys. Commun. 185 (2014) 1595
A. Vítek, R. Kalus, Two-dimensional multiple-histogram method applied to isothermal-isobaric Monte Carlo simulations.

[10] Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (2012) 15509
A. Vítek, A. Ofiala, R. Kalus, Thermodynamics of water clusters under high pressures. A case study for (H2O)15 and (H2O)15-CH4.

[11] Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (2010) 13657
A. Vítek, I. Paidarová, R. Kalus, Structural changes in the water tetramer. A combined Monte Carlo and DFT study.

[12] Chemical Physics Letters 700 (2018) 96–101
R. Ćosić, F. Karlický, R. Kalus, Photoabsorption spectra of small HeN+ clusters (N = 3, 4, 10). A quantum Monte Carlo modeling

[13] Phys.Chem.Chem.Phys.,2018, 20, 28871
R. Ćosić, A. Vítek, R. Kalus, Photoabsorption spectra of small mercury clusters: a computational study

[14] Science 327 (2010) 788
J. M. Hutson, Ultracold Chemistry.

[15] Chemical Physics Letters 73 (1980) 393–398
P. Pulay, Convergence acceleration of iterative sequences. the case of scf iteration
Členové řešitelského týmuIng. Martin Beseda
Ing. Rajko Ćosić
Mgr. Ing. Libuše Horáčková
prof. RNDr. René Kalus, Ph.D.
Ing. Martin Mrovec
Mgr. Stanislav Paláček
Mgr. Aleš Vítek, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Specifikace výstupů výzkumu (cíl projektu)

Hlavním cílem projektu je navázat na zahraniční spolupráce, které byly započaty v rámci předchozích projektů SGS v letech 2017 a 2018. Jedná se konkrétně o spolupráci s vědeckými pracovišti UPS (modelování nízkoteplotního plazmatu s biomedicínskými aplikacemi a matematické modelování molekulových interakcí) a UPEM (kvantové metody Monte Carlo). Výsledky dosažené především díky této spolupráci budou prezentovány na mezinárodních konferencích.

Hlavními výstupy projektu pro rok 2019 jsou: A) řešení Schrödingerovy rovnice za použití metod strojového učení – 1 publikace s impakt faktorem (Jimp), B) aplikace matematických metod ve výpočtech elektronových struktur založených na zobecněné Kohnově-Shamově teorii – 1 publikace s impakt faktorem (Jimp), C) simulace metodou Path Integral Monte Carlo s využitím kvantově-chemických potenciálů – 1 konferenční příspěvek (D), D) neadiabatické molekulové simulace srážek N2 + He+ a výpočty účinných srážkových průřezů – 1 publikace s impakt faktorem (Jimp), E) ab initio výpočty potenciálových nadploch a tranzitních dipólových momentů kolizního komplexu [N2/He]+ – 1 publikace s impakt faktorem (Jimp), 1 konferenční příspěvek (D).

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia64000,-64000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek10000,-4810,-
5. Služby0,-27491,-
6. Cestovní náhrady120000,-145749,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory21556,-25000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady215556,-
Uznané náklady267050,-
Celkem běžné finanční prostředky215556,-267050,-