1) 課程概述
從遠古的銅器時代到今日的半導體資訊時代，人類向來是透過掌握和操控新材料而進步，其文明因而以新材料來命名。材料的發展推動了經濟、社會和科學的進步，進而改變了人們日常生活的方式。由於近來高速計算機，先進數值算法和多體量子理論的出現，材料科學已邁入一個全新的時代。在這個新時代裡，使用建立在量子物理上的第一原理(first principles)計算研究可以補充，有時甚至取代，傳統的嘗試錯誤實驗法(try-and-error experimentation)。所謂「第一原理」是指在計算過程中不需要由實驗提供經驗參數，只要知道組成材料的元素便可直接從求解其對應的薛定格方程，算出其所擁有的物性。應用第一原理計算，科學家可以引導尖端材料的研發，可以理解材料是怎樣形成的，外界條件會產生怎樣的影響以及可以如何改造材料使其具有更佳的性能。先進的第一原理計算已經能預言複雜真實的材料系統裡所發生的現象，亦即科學家可以通過「電腦實驗」研究一些人類目前無法做實驗的重要課題，如地球內部物質在高壓和高?下的物理和化學性質。1998年諾貝爾獎頒給了理論物理學家華特柯恩(Walter Kohn)教授和理論化學家約翰波普(John Pople)教授，不但肯定他們對材料科學的卓著貢獻，也確認了第一原理計算材料科學的重要性。
第一原理計算目前已成為世界上科學家探討尖端材料新穎性質以及研發和設計新功能材料不可缺少的工具。臺灣是個人電腦的製造王國，發展第一原理計算材料科學有其得天獨厚的優勢。而且量子物理是臺灣半導體電子產業奇蹟的科學基礎，第一原理計算對當前臺灣電子產業界努力研發新一代十奈米級元件及技術尤其重要。
本課程擬利用郭教授豐富的研究和教學經驗及技術know-how’s幫助臺灣培養新一代凝態物理和尖端材料的高階科技人才。本講座課程規劃三個部分，第一部分講解做第一原理計算所需的基礎知識。第二部分指導學生用第一原理方法計算真實材料的結構，能帶，電、光、磁、熱性質等，包括老師課堂講解、演示和學生課堂、課後練習。每單元(兩周)講解一種性質，例如結構單元將介紹計算矽的結構相圖並和高壓實驗比較，磁學單元將介紹計算鐵的磁矩和磁矩間的耦合強度並估算其磁相變居里溫度。第三部分針對當前熱門的課題作講解和演練，第一年將專注(1)在自旋電子學和量子資訊有應用潛力的相對論拓撲材料和(2)在能源和環保有應用潛力的熱電材料。例如，單元(1)將介紹計算拓撲絕緣體的拓撲不變量(Z2 topological invariant)並判斷其是否為拓撲絕緣體。單元(2)將介紹計算熱電材料的電、熱導率和西貝克(Seebeck)系數進而評估其應用潛力。