Karl-Franzens-Universität Graz

Visualisierung mathematischer Daten

Zusammenarbeit mit B. Thaller, Institut für Mathematik

Erste Visualisierungen der Daten

Die Wellenfunktionsdaten liegen in ASCII-Form vor. Um sie in die Software AVS importieren zu können, wird entweder ein AVS Feld-File zur Beschreibung der Daten erstellt, oder mithilfe des AVS Module Generator wird ein Einlesemodul erzeugt. Näheres findet man in der Projektdokumentation "Visualisierung mathematischer Daten an der Karl-Franzens-Universität".

Visualisierung der Daten in 2D

Als erstes Beispiel ist die Wellenfunktion eines Wasserstoffatoms im Zweidimensionalen visualisiert. Es handelt sich hierbei um eine zweikomponentige Funktion, also kann die Information über die Wellenfunktion entweder als

Absolutbetrag und Phase

oder als

Realteil und Imaginärteil

dargestellt werden.

Visualisierung der Daten in 3D

Im weiteren wird der Absolutbetrag der Wellenfunktion im Dreidimensionalen dargestellt, wobei zuerst zwei orthogonale Schnitte durch den dreidimensionalen Datensatz vorgenommen werden

Im nächsten Bild erfolgt die dreidimensionale Darstellung durch Verwendung einer Isofläche. Das bedeutet, alle Punkte mit einem bestimmten Wert des Absolutbetrags der Wellenfunktion sind dargestellt. Mithilfe der Phasenwerte der Funktion wird die Isofläche eingefärbt.

Visualisierung einer hochangeregten Wellenfunktion

Bei den folgenden Daten handelt es sich wieder um die Wasserstoff- Wellenfunktion, allerdings wurde hier ein sehr hoch angeregter Zustand berechnet (das Ergebnis ist komplexer als die Daten im ersten Beispiel). In zwei dreidimensionalen Bildern wird das Ergebnis der Visualisierung demonstriert. Im ersten Fall ist der Absolutbetrag der Wellenfunktion als Isofläche dargestellt. Er ist durch die Werte der Phase gefärbt. Da die Phase keine stetige Funktion ist (es gibt einen Sprung zwischen -pi und pi), gibt es Interpolationsprobleme. Auf diese Art erklären sich die kleinen Flecken in der hellblauen Region.

Im zweiten Fall sind sind der Real- und der Imaginärteil der Wellenfunktion abgebildet.

Visualisierung mehrdimensionaler Daten

Wenn mehrere Komponenten der Wellenfunktion (z.B. Absolutbetrag und Spinanteile) gleichzeitig dargestellt werden sollen, nimmt die Komplexit t des Netzwerks und der Darstellung unvermeidlicherweise zu. Daher muß genau überlegt werden, welche Darstellungsart gewählt wird.

Visualisierung mit Vektoren

In diesem Beispiel wird einerseits der Absolutbetrag einer höher angeregten Wellenfunktion des H-Atoms visualisiert. Von dem Spinanteil der Wellenfunktion sind die Beiträge in x,yund z-Richtung gegeben. Daher bietet sich die Verwendung von 3D-Vektoren zur Visualisierung des Spins an. Die Lage der einzelnen Spinvektoren im Raum wird in bezug auf den Absolutbetrag gezeigt.

Visualisierung mit Stromlinien

Eine weitere Möglichkeit der Visualisierung mehrdimensionaler Daten ist die Darstellung mit Stromlinien. Die Stromlinien werden an Sample Punkten berechnet. Ihre Bewegung durch den Raum wird durch die Werte des Vektorfeldes um die jeweiligen Punkte bestimmt. Das Ergebnis ist ein Set von Stromlinien. Die Beispielpunkte können auf unterschiedliche Art im Raum angeordnet sein. Bei dem gewählten Beispiel liegen sie in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene.

Nullenergie-Zustand im Magnetfeld

Der Grundzustand einer Schrödingergleichung mit einem dreidimensionalen Magnetfeld wurde berechnet. Normalerweise produziert ein dreidimensionales magnetisches Feld keinen Bindungszustand bei Energie 0. Jedoch existieren bestimmte Vektorpotentiale für Teilchen mit Spin 1/2, die so einen Zustand erzeugen können. Die Wellenfunktion des Nullenergie-Zustands ist zweikomponentig und komplex. Als Output ergeben sich der Absolutbetrag der Wellenfunktion, sowie Realteil (Spin up, down), Imaginärteil (Spin up, down) und der lokale Erwartungswert des Spinvektors.

Einzelne Komponenten der Wellenfunktion

In einem ersten Schritt wird der Absolutbetrag der Wellenfunktion als Isofläche dargestellt. Es zeigt sich, daß die Funktion rein kugelsymmetrisch ist .

Schaut man sich dagegen die einzelnen Komponenten der Wellenfunktion an, so ergibt sich ein interessantes Bild. Nur eine Komponente des Realteils (blau gefärbt) ist kugelsymmetrisch. Die anderen drei Komponenten der Wellenfunktion sind sich sehr ähnlich und ergeben daher ein ähnliches Ergebnis.

Lokale Spinerwartungswerte

In einem zweiten Schritt wird nun der lokale Erwartungswert des Spins dargestellt. Als erstes wird die Visualisierung mithilfe von Stromlinien durchgeführt. Eine Basis-Ebene, von der aus die Stromlinien berechnet werden, wird durch die Daten geschoben.

Anstelle von Stromlinien kann das Spinfeld auch durch kleine Pfeilchen dargestellt.

Wie man aus den diesen Ergebnissen zur Visualisierung mehrdimensionaler Daten sehen kann, ist die Interpretation des Ergebnisses bereits relativ schwierig. Und eine wirklich aussagekräftige Darstellung zu finden, ist alles andere als trivial. Aus diesem Zweck wurde im Lauf des Projekts beschlossen, als zusätzliche Darstellungsmöglichkeit bewegte Bilder verwenden.

Infos


Erstellt von Jutta Pauschenwein
zuletzt bearbeitet: 13.1.1999