凝聚态物理学

Description

《凝聚态物理学(上卷)》被列入新闻出版总署“十二五”国家重点图书出版规划。《凝聚态物理学(上卷)》在把握从固体物理学到凝聚态物理学历史发展脉络的基础上，为凝聚态物理学建立了一个逻辑上合理明晰的概念体系，并对学科涵盖的丰富内容进行了全面系统的论述。全书体系精审、视野开阔、论述融贯、内容新颖，对于从事凝聚态物理学及相关学科的研究工作者是一本富有启发性且便于阅读的科学论著，也可以作为攻读凝聚态物理学与相关学科学位的研究生的入门参考书。 《凝聚态物理学(上卷)》以综览开头，接下来是前四编。第一编为凝聚物质的结构，论述晶态物质的结构对称性和构筑原理，并延伸至晶体之外，涉及合金、玻璃、液晶和聚合物等，以及非均质物质；第二编为各种物质结构中波的行为，从论述周期结构中波的传播出发，分别加上准周期性、表面和杂质，以及无序带来的影响，特别强调了不同结构和条件下电子的动力学和输运性质；第三编为键、能带及其它，围绕电子结构这一重要主题，分别论述了在不同场合下键和能带途径的有效性，以及在处理强关联电子系统时的局限性，也指出了可能的改进方案，进而对纳米结构的电子性质进行了论述；第四编为相变和有序相，首先利用唯象的Landau理论，突出对称性破缺这一核心概念，为各种不同的相变类型建立了统一的理论框架，进而分别论述了结构相变、磁有序相变和超导、超流相变，兼顾到宏观和微观的描述，最后考察了与更广义的遍历性破缺有关的相变。 综览 1 0.1 物质世界的层次化 1 0.1.1 20世纪的物理学 1 0.1.2 简单性与复杂性 3 0.1.3 层展现象 5 0.2 凝聚态物理学的范围 8 0.2.1 理论方法：量子力学与经典物理 8 0.2.2 凝聚现象 9 0.2.3 有序化 11 0.3 凝聚态物理学的历史透视与概念框架 12 0.3.1 固体物理学的范式 13 0.3.2 键与能带——从单电子近似走向关联电子态 15 0.3.3 合作现象及其它 17 0.3.4 凝聚态物理学的范式 18 参考文献 22 第一编 凝聚物质的结构 25 第一章 结构的对称性 27 1.1 关于对称性的基本概念 27 1.1.1 对称及对称操作 27 1.1.2 对称元素的组合定理 30 1.1.3 对称群 32 1.1.4 对称群的表示 33 1.2 有限结构与点群 34 1.2.1 对称轴的组合规则 35 1.2.2 循环群与二面体群 35 1.2.3 正多面体与立方点群 36 1.3 周期结构和空间群 39 1.3.1 周期结构和晶格 40 1.3.2 Bravais 格 41 1.3.3 空间群 42 1.3.4 晶体结构的描述 44 1.4 物质结构和其 Fourier 变换 46 1.4.1 普遍情形 46 1.4.2 倒格 47 1.4.3 周期结构的 Fourier 变换 48 1.5 广义对称性 49 1.5.1 高维空间群 49 1.5.2 色群 49 1.5.3 倒空间的对称性 50 1.5.4 对称性的其它推广 51 参考文献 51 第二章 晶态结构及其构筑原理 52 2.1 堆积结构与相关问题 52 2.1.1 二维空间的拼砌、堆积和覆盖 52 2.1.2 三维空间的堆积和覆盖 54 2.1.3 结构中的空隙和相关问题 55 2.2 键连结构和相关问题 59 2.2.1 键连结构 59 2.2.2 氧化物的结构 60 2.2.3 结构族 61 2.3 曲面与曲率 62 2.3.1 曲面的曲率 63 2.3.2 Euler 公式与 Gauss-Bonnet 公式 63 2.3.3 曲面概述 65 2.3.4 Fuller 烯和相关的结构 66 2.4 准周期结构 68 2.4.1 无理数与准周期函数 69 2.4.2 一维准周期结构 69 2.4.3 二维周期结构的投影 71 2.4.4 二维准周期结构 73 2.4.5 三维准周期结构 75 2.4.6 基本概念的讨论 77 参考文献 78 第三章 晶态之外 79 3.1 合金与取代无序 79 3.1.1 有序与无序的合金 79 3.1.2 分布函数与关联函数 81 3.2 液体与玻璃 82 3.2.1 概述 82 3.2.2 统计描述 83 3.2.3 非晶态的结构模型 86 3.3 液晶 89 3.3.1 概述 89 3.3.2 向列相和胆甾相 89 3.3.3 近晶相和柱状相 92 3.3.4 溶致液晶及其它 93 3.4 聚合物 95 3.4.1 结构和构型 95 3.4.2 无规线团与溶胀线团 97 3.4.3 单链的关联函数及其实验测定 99 3.4.4 有序与部分有序结构 101 3.5 生物聚合物 103 3.5.1 核酸的结构 103 3.5.2 蛋白质的结构 104 3.5.3 信息与结构 106 参考文献 106 第四章 非均质结构 108 4.1 复相结构 108 4.1.1 结构层次与多层次结构 108 4.1.2 非均质材料的微结构特征 111 4.1.3 有效介质近似：二相合金微结构与物性关联问题处理实例 114 4.2 结构的几何相变：逾渗 116 4.2.1 键逾渗与座逾渗 116 4.2.2 逾渗理论概述 117 4.2.3 逾渗的实例 119 4.3 分形 120 4.3.1 理想分形与分形维数 121 4.3.2 实际的分形 122 4.3.3 自仿射分形 124 4.3.4 多重分形的基本概念 125 参考文献 128 第二编 各种物质结构中波的行为 131 第五章 周期和准周期结构中波的传播 133 5.1 波传播概念的统一性 133 5.1.1 波方程和周期势 133 5.1.2 Bloch 波 135 5.1.3 经典波研究的复兴 136 5.2 晶体中的电子 137 5.2.1 自由电子气模型 137 5.2.2 近自由电子模型 138 5.2.3 紧束缚电子模型 140 5.2.4 超晶格的 Kronig-Penney 模型 142 5.2.5 态密度和维度性 143 5.3 格波与弹性波 145 5.3.1 格波的色散关系 145 5.3.2 格波的频谱 148 5.3.3 周期复合介质中的弹性波－声子晶体 150 5.4 周期结构中的电磁波 151 5.4.1 层状周期介质中的光子带隙 151 5.4.2 X射线动力学衍射 153 5.4.3 光子晶体的能隙 156 5.4.4 非线性光学晶体的准相位匹配 160 5.5 准周期结构中的波 162 5.5.1 一维准晶的电子能谱和波函数 162 5.5.2 人工 Fibonacci 结构中波的透射 164 5.5.3 实际准晶的赝能隙 166 参考文献 168 第六章 Bloch 电子动力学 169 6.1 能带电子的基本性质 169 6.1.1 电子速度和有效质量 169 6.1.2 金属和非金属 171 6.1.3 空穴 173 6.1.4 金属中电子的比热容 174 6.2 电场中电子的运动 175 6.2.1 Bloch 振荡 175 6.2.2 负微分电阻 177 6.2.3 Wannier-Stark 梯 178 6.3 磁场中电子的运动 180 6.3.1 回旋共振 181 6.3.2 Landau 量子化 183 6.3.3 de Haas-van Alphen 效应 186 6.3.4 传导电子磁化率 189 参考文献 192 第七章 表面和杂质效应 194 7.1 表面电子态 194 7.1.1 金属表面的电子能量和密度 194 7.1.2 半导体表面态 199 7.2 电子杂质态 200 7.2.1 带电中心的屏蔽效应 201 7.2.2 电子局域模 203 7.2.3 电子自旋密度振荡 205 7.3 与表面及杂质相关的振动 206 7.3.1 表面振动 206 7.3.2 杂质振动模 208 7.4 光子晶体中的缺陷模 211 7.4.1 层状周期结构中的电磁表面模 211 7.4.2 点缺陷 212 7.4.3 线缺陷 214 参考文献 215 第八章 电荷输运和自旋输运 216 8.1 正常输运 216 8.1.1 Boltzmann 方程 216 8.1.2 直流和交流电导率 218 8.1.3 金属电阻率的微观机制 220 8.1.4 半导体中的电输运 223 8.1.5 其它的输运系数 225 8.2 磁场中的电荷输运与自旋输运 226 8.2.1 经典 Hall 效应 226 8.2.2 Shubnikov-de Haas 效应 228 8.2.3 正常磁电阻及其各向异性 231 8.2.4 自旋极化与自旋输运 234 8.2.5 铁磁金属的电阻率与磁电阻 237 8.3 隧穿现象 239 8.3.1 势垒透射 239 8.3.2 半导体超晶格的共振隧穿 241 8.3.3 电击穿和磁击穿 243 8.3.4 隧道磁电阻 246 8.3.5 扫描隧道显微术 247 参考文献 250 第九章 无序系统中波的定域化 252 9.1 定域化的物理图像 252 9.1.1 波定域化的简单演示 252 9.1.2 特征长度和特征时间 253 9.1.3 粒子扩散和定域化 255 9.2 弱定域化 256 9.2.1 增强背散射 256 9.2.2 依赖于尺寸的扩散系数 258 9.2.3 电导的干涉修正 260 9.3 强定域化 262 9.3.1 连续渗流模型 262 9.3.2 Anderson 模型 263 9.3.3 迁移率边 265 9.3.4 Edwards 模型 267 9.3.5 跳跃电导 268 9.3.6 光的强定域化 269 参考文献 272 第十章 介观量子输运 273 10.1 介观系统的特点 273 10.1.1 介观结构的界定 273 10.1.2 不同的输运区 274 10.1.3 量子通道 275 10.2 Landauer-Büttiker 型电导 277 10.2.1 Landauer 公式 277 10.2.2 两端单通道电导 279 10.2.3 两端多通道电导 280 10.3 回路中的电导振荡 282 10.3.1 电子波函数的规范变换 282 10.3.2 金属环中的 Aharonov-Bohm 效应 283 10.3.3 持续电流 285 10.3.4 Altshuler-Aronov-Spivak 效应 288 10.3.5 静电 Aharonov-Bohm 效应 289 10.4 电导涨落 290 10.4.1 电导的非局域性 290 10.4.2 磁场反转的倒易性 292 10.4.3 普适电导涨落 293 参考文献 296 第三编 键、能带及其它 297 第十一章 键途径 299 11.1 原子与离子 299 11.1.1 氢原子 299 11.1.2 多电子原子中的单电子近似 300 11.1.3 原子内的交换作用 303 11.1.4 Hund 定则和离子磁矩 304 11.2 双原子分子 307 11.2.1 氢分子离子 H2+ 的精确解 307 11.2.2 分子轨道法 309 11.2.3 Heitler-London 法 312 11.2.4 自旋 Hamilton 量和 Heisenberg 模型 314 11.3 多原子分子 315 11.3.1 多原子分子问题的分子轨道法 315 11.3.2 价键轨道 316 11.3.3 分子轨道方法的 Hückel 近似 318 11.3.4 一些分子的电子结构 320 11.4 各向异性环境中的离子 322 11.4.1 三种晶体场 322 11.4.2 过渡金属离子的晶场效应 323 11.4.3 Jahn-Teller 效应 324 11.4.4 配位场中的离子 325 参考文献 327 第十二章 能带途径 329 12.1 能带计算的各种方法 329 12.1.1 正交平面波 329 12.1.2 赝势 331 12.1.3 糕模势与缀加平面波 333 12.1.4 能带的对称性和k·p方法 334 12.2 从多粒子 Hamilton 量到自洽场方法 335 12.2.1 多粒子 Hamilton 量 336 12.2.2 价电子近似和绝热近似 336 12.2.3 Hartree 近似 338 12.2.4 Hartree-Fock 近似 339 12.3 电子结构取径于密度泛函 341 12.3.1 从波函数到密度泛函 341 12.3.2 Hohenberg-Kohn 定理 342 12.3.3 自洽 Kohn-Sham 方程 344 12.3.4 局域密度近似及其它 345 12.3.5 Car-Parinello 方法 347 12.4 若干材料中的电子结构 348 12.4.1 金属 348 12.4.2 半导体 353 12.4.3 半金属 355 12.4.4 分子晶体 358 12.4.5 表面和界面 360 参考文献 363 第十三章 关联电子态 365 13.1 Mott 绝缘体 365 13.1.1 理想化的 Mott 转变 365 13.1.2 Hubbard 模型 367 13.1.3 动态交换和超交换 369 13.1.4 轨道序和自旋序 372 13.1.5 Mott绝缘体的分类 374 13.2 掺杂 Mott 绝缘体 376 13.2.1 Mott 绝缘体的掺杂 376 13.2.2 铜氧化物 377 13.2.3 锰氧化物与双交换作用 380 13.2.4 电荷序和电子相分离 383 13.3 磁性杂质、近藤效应及相关问题 385 13.3.1 Anderson 模型与局域磁矩 385 13.3.2 间接交换作用 387 13.3.3 近藤效应 388 13.3.4 重电子金属和相关材料 391 13.4 展望 394 13.4.1 一些经验规则 394 13.4.2 理论方法 396 参考文献 397 第十四章 量子限制纳米结构 398 14.1 半导体量子阱 398 14.1.1 电子子能带 398 14.1.2 空穴子能带 401 14.1.3 光吸收 403 14.1.4 耦合量子阱 405 14.2 磁量子阱 406 14.2.1 金属量子阱中的自旋极化 406 14.2.2 振荡磁耦合 408 14.2.3 巨磁电阻效应 411 14.3 量子线 415 14.3.1 半导体量子线 415 14.3.2 碳纳米管 417 14.3.3 金属台阶 419 14.4 量子点 421 14.4.1 金属团簇的幻数 421 14.4.2 半导体量子点 424 14.4.3 Fock-Darwin 能级 426 14.4.4 Coulomb 阻塞效应 428 14.4.5 近藤效应 431 14.5 耦合量子点系统 433 14.5.1 双量子点 433 14.5.2 半导体量子点超晶格 437 14.5.3 金属量子点列阵 438 参考文献 439 第四编 相变和有序相 441 第十五章 Landau 相变理论 443 15.1 两个重要概念 443 15.1.1 对称破缺 443 15.1.2 序参量 445 15.1.3 统计模型 447 15.2 二级相变 449 15.2.1 自由能的级数展开 449 15.2.2 热力学量 451 15.2.3 具有复序参量的系统 452 15.3 弱一级相变 453 15.3.1 外场影响 453 15.3.2 Landau-Devonshire 模型 454 15.3.3 Landau-de Gennes 模型 457 15.3.4 序参量和应变的耦合 458 15.4 结构相变中对称性的改变 460 15.4.1 密度函数和表示理论 460 15.4.2 自由能泛函 462 15.4.3 Landau 判据 463 15.4.4 Lifshitz 判据 464 参考文献 466 第十六章 晶体、准晶和液晶 467 16.1 液－固相变 467 16.1.1 基于密度波的自由能展开 467 16.1.2 结晶 469 16.1.3 准晶 471 16.2 固体中的相变 473 16.2.1 无序－有序转变 473 16.2.2 顺电－铁电转变 476 16.2.3 无公度－公度转变 478 16.3 软物质中的相变 481 16.3.1 液晶相变的 Maier-Saupe 理论 482 16.3.2 液晶相变的 Onsager 理论 484 16.3.3 硬球系统的相分离 486 参考文献 488 第十七章 铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体 490 17.1 磁性的基本特征 490 17.1.1 磁性的主要类型 490 17.1.2 磁结构的空间图像 493 17.1.3 磁结构的能带图像 496 17.1.4 具有时间反演对称性的 Hamilton 量 501 17.2 局域磁矩理论 503 17.2.1 Heisenberg Hamilton 量的平均场近似 504 17.2.2 铁磁转变 505 17.2.3 反铁磁转变 507 17.2.4 亚铁磁转变 509 17.2.5 铁磁和反铁磁基态 511 17.3 巡游电子磁性理论 514 17.3.1 Hubbard Hamilton 量的分子场近似 514 17.3.2 铁磁性的 Stoner 理论 516 17.3.3 弱巡游铁磁性 520 17.3.4 自旋密度波与反铁磁性 522 参考文献 524 第十八章 超流体与超导体 525 18.1 宏观量子现象 525 18.1.1 Bose-Einstein 凝聚的基本概念 525 18.1.2 稀薄气体的 Boes-Einstein 凝聚 528 18.1.3 液氦的超流性 530 18.1.4 各种物质的超导电性 534 18.2 Ginzburg-Landau 的唯象理论 540 18.2.1 Ginzburg-Landau 方程与对称破缺 540 18.2.2 穿透深度和相干长度 542 18.2.3 涡旋态的磁性质 544 18.2.4 各向异性超导体 546 18.3 配对态 548 18.3.1 广义 Cooper 对 548 18.3.2 自旋单态s波的常规配对 551 18.3.3 自旋单态d波的非常规配对 553 18.3.4 赝能隙及其对称性 555 18.3.5 自旋三重态p波的非常规配对 557 18.4 Josephson 效应 560 18.4.1 Josephson 方程 560 18.4.2 超导体中的 Josephson 效应 561 18.4.3 配对对称性的相敏检验 563 18.4.4 超流体中的 Josephson 效应 565 参考文献 566 第十九章 遍历性破缺 568 19.1 遍历性的内涵 568 19.1.1 遍历性假设 568 19.1.2 时标的引入 570 19.1.3 内部遍历性 573 19.2 从气相到非晶固相 574 19.2.1 气液相变 574 19.2.2 浸润相变 577 19.2.3 玻璃化转变 580 19.3 自旋玻璃转变 583 19.3.1 自旋玻璃态 583 19.3.2 失措和序参量 585 19.3.3 理论模型 587 19.4 金属－非金属转变 591 19.4.1 半经验判据 592 19.4.2 Wigner 结晶 594 19.4.3 Mott 相变的 Gutzwiller 变分法及唯象处理 596 19.4.4 电子玻璃态 599 参考文献 603