Quantum Theory of Conducting Matter pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Fujita, Shigeji/ Ito, Kei/ Godoy, Salvador

出品人:

页数:322

译者:

出版时间:2009-3

价格:$ 101.69

装帧:

isbn号码:9780387882055

丛书系列:

图书标签:

凝聚态物理
量子力学
材料物理
电子结构
输运性质
超导
拓扑物态
强关联系统
固体物理
量子场论

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具体描述

Major superconducting properties including zero resistance, Meissner effect, sharp phase change, flux quantization, excitation energy gap, Josephson effects are covered and microscopically explained, using quantum statistical mechanical calculations. First treated are the 2D superconductivity and then the quantum Hall effects. Included are exercise-type problems for each section. Readers can grasp the concepts covered in the book by following the worked-through problems. Bibliographies are included in each chapter and a glossary and list of symbols are given in the beginning of the book. The book is based on the materials taught by S. Fujita for several courses in Quantum Theory of Solids, Advanced Topics in Modern Physics, and Quantum Statistical Mechanics.

凝聚态物理的宏伟殿堂：从微观世界到宏观特性的深入探索一、引言：物质世界的奥秘与凝聚态物理的基石人类对物质本质的探求从未停歇。从古老的原子论到近代的量子力学，我们逐渐揭开了物质深层结构的神秘面纱。凝聚态物理，作为现代物理学中最活跃、成果最为丰硕的分支之一，专注于研究由大量粒子（如原子、电子）通过相互作用聚集而形成的宏观物质系统——固态和液态物质的性质。本书旨在系统性地阐述构成凝聚态系统的基本理论框架、核心概念以及描述这些系统复杂行为的数学工具，尤其侧重于那些不直接聚焦于电子在周期性晶格中运动的方面，而是深入探讨更具普遍性和挑战性的多体问题。二、晶格动力学与声子理论：集体振动的图景理解固体材料的机械、热学和介电性质，必须从其原子排列的周期性结构及其集体振动模式入手。本书首先建立在经典晶格振动理论的基础上，详细推导了牛顿运动方程在晶格模型下的适用性，并引入了布洛赫定理在实空间晶格振动中的对应——即晶格振动可以被分解为一系列具有特定波矢 $mathbf{q}$ 的简谐波。核心部分将深入探讨声子（Phonon）的概念。声子是晶格振动的量子化激发态，是描述固体热力学性质的关键准粒子。我们将详细分析： 1. 色散关系 (Dispersion Relations)：区分声学支（Acoustic branches）和光学支（Optical branches）。声学支对应于整个晶格块的宏观平移和旋转运动，其低频极限对应于宏观弹性波。光学支则涉及原子间的相对位移，在极性晶体中表现出显著的电偶极矩变化。 2. 声子态密度 (Density of States, DOS)：计算声子态密度是确定材料比热容、热导率等热力学量的基础。我们将利用范霍夫奇点（Van Hove Singularities）的概念，解释态密度在特定波矢上的奇异行为如何影响材料的宏观响应。 3. 声子散射与热输运：探讨声子之间的非线性相互作用（三声子、四声子过程），这是理解材料热阻（Phonon Scattering）和热导率随温度变化的物理机制。重点分析同晶散射（Umklapp processes）在限制热传导中的关键作用。三、晶体场理论与磁性：电子在非理想环境下的行为在不完全依赖于能带理论的语境下，本书转向研究电子在非理想、非周期性或具有强局部效应的晶体环境中的行为，特别是晶体场理论 (Crystal Field Theory)。 1. 配位场对能级的劈裂：详细分析过渡金属离子或稀土离子在晶格环境中，其 $d$ 或 $f$ 轨道电子的能级如何因周围配位离子的静电场而发生分裂。通过群论方法（如拉凯-泰勒理论的初步应用），计算不同几何构型（如八面体、四面体）导致的能级分裂模式。 2. 朗德 $g$ 因子与磁各向异性：解释晶体场如何影响电子的总角动量和自旋耦合，从而导致观测到的磁性表现出强烈的各向异性。这对于理解磁记录材料和磁光效应至关重要。 3. 朗之万与布朗运动的视角：在考察磁性时，我们将引入统计力学的工具，描述在温度作用下磁矩的涨落。通过构建简化的磁矩模型，解释顺磁性、抗磁性（Diamagnetism）的温度依赖性。四、介电现象与铁电体：电极化响应的物理学介电材料是凝聚态物理中研究电场响应的经典领域。本书将从微观机制出发，深入探讨宏观电极化现象。 1. 极化机制的分类：系统区分电子极化、离子极化（或原子极化）、空间电荷极化和取向极化（偶极子极化）。对于每种机制，分析其在不同频率和温度下的响应特性。 2. 经典电动力学与介电函数：从麦克斯韦方程组出发，引入介电常数 $epsilon(omega)$ 和介电函数 $epsilon(mathbf{q}, omega)$ 的概念。通过洛伦兹模型和德拜模型，建立微观极化机制与宏观介电函数之间的定量联系。 3. 铁电性的起源与分类：铁电体是具有自发极化的材料。本书将重点分析导致自发极化的驱动力——软模（Soft Modes）。通过平均场理论（Mean Field Theory）的视角，构建描述相变的有效哈密顿量，推导居里-外斯定律，并解释铁电体中存在的电畴现象、电滞回线以及畴壁动力学。特别地，对比柔性（Ferroelasticity）与铁电性的耦合效应。五、非晶态物质与无序：超越晶格的复杂结构并非所有固体都具有理想的长程有序晶格结构。无序系统，如玻璃、高分子材料和某些液态金属，是凝聚态物理的另一大研究对象。 1. 结构描述：引入径向分布函数 $g(r)$ 和结构因子 $S(q)$ 来定量描述非晶态物质的短程有序特征，并与晶体衍射图谱进行对比。 2. 局域激发与缺陷：讨论无序对电子和声子能谱的影响。在无序系统中，局域化（Localization）现象成为关键。我们将简要介绍安德森局域化（Anderson Localization）的基本思想，即波函数在强无序势场中无法传播的现象，这直接决定了非晶半导体的导电性质。 3. 玻璃转变动力学：玻璃态的形成是一个动力学过程。我们将探讨描述粘滞液体冷却过程的德鲁德-沃尔哈默理论 (Drude-Wolhammer Theory) 和自由体积理论 (Free Volume Theory)，用以解释粘度随温度的非指数增长行为。六、准粒子理论的拓扑视角：现代凝聚态的基石（导论性）尽管本书的侧重点在于经典和半经典模型，但对前沿的认识是必要的。我们将对准粒子理论的现代发展进行概览，特别是从拓扑角度理解物质性质的转变。 1. 拓扑不变量的初步概念：简要介绍如何使用拓扑不变量（如陈数）来描述材料的能带结构，区分传统的对称性保护的相变（如晶体结构变化）与拓扑相变。 2. 边缘态与体态的联系：阐述在具有拓扑性质的系统中，体能带的拓扑性质如何严格地决定了边界或表面必定存在无能隙的导电态，这为新型低能耗器件的设计提供了深刻的物理见解。结论：跨越尺度的统一性通过对晶格动力学、电子局域效应、介电响应以及无序系统的深入剖析，本书力求展现凝聚态物理的广阔图景。它揭示了从微观相互作用到宏观可观测性质之间，存在着一套优雅而严谨的物理规律，这些规律指导着我们对所有凝聚态物质的理解与应用。