The Quantum Theory of Magnetism pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:Norberto Majlis

出品人:

页数:436

译者:

出版时间:2001-02-15

价格:USD 100.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9789810240189

丛书系列:

图书标签:

• 量子磁学
• 磁性材料
• 量子力学
• 凝聚态物理
• 自旋
• 磁序
• 电子结构
• 磁性理论
• 量子多体问题
• 磁学

磁性现象的微观基础与宏观展现：一本关于凝聚态物理前沿的探索之旅 引言：物质的内在之谜 自古以来，磁现象便以其无形的牵引力和奇特的相互作用，激发着人类的好奇心。从天然磁石的指向性，到琥珀摩擦后吸附轻物的静电吸引，再到现代技术中用于信息存储和能源转化的强大磁场，磁性无疑是自然界中最迷人且至关重要的基本力之一。然而，要真正理解这些现象的根源，我们必须深入到物质的最微观层面——原子和电子的尺度。 本书旨在为读者构建一座坚实的桥梁，连接宏观可观测的磁性行为与支配这些行为的量子力学原理。我们不只是罗列现象，而是深入探究驱动这些现象的内在机制，重点关注凝聚态物理体系中多体相互作用的复杂性。我们将以严谨的物理图像和清晰的数学推导为工具，系统地剖析磁性的起源、演化及其在不同材料环境下的表现。 第一部分：量子力学基石与单电子图像 理解磁性，首要任务是回归到量子力学的基本框架。本部分将为后续复杂理论打下坚实的基础。 第一章：轨道角动量与自旋的起源 磁性的核心在于电荷的运动。我们首先回顾经典电动力学中电荷环路产生的磁矩概念。随后，我们将转向量子力学，详细阐述电子的轨道角动量 $(mathbf{L})$。通过对方程 $mathbf{L} cdot mathbf{B}$ 相互作用的分析，我们确立了磁矩与角动量之间的基本联系，并引入朗德 $g$ 因子的概念，这是连接经典想象与量子实在的关键参数。 至关重要的一步是引入电子自旋 $(mathbf{S})$。本书将详细回顾泡利不相容原理和狄拉克方程的初步推导，解释自旋作为内在自由度的物理意义，而非简单的类比。我们将精确推导出电子的自旋磁矩 $oldsymbol{mu}_s = -g_e frac{e}{2m_e} mathbf{S}$，其中 $g_e approx 2$ 这一非平凡的数值，是检验量子电动力学（QED）的早期里程碑。 第二章：原子内电子组态与有效场 在多电子原子中，孤立电子的磁矩并不能直接决定材料的宏观磁性，因为它们之间的复杂耦合至关重要。本章聚焦于原子光谱学和角动量耦合理论。我们将详细讲解旋-轨耦合 (Spin-Orbit Coupling, SOC) 现象。SOC不仅是导致光谱线分裂的直接原因，更是理解磁各向异性（即磁矩偏好特定晶体方向）的微观基础。 随后，我们将引入洪特规则 (Hund's Rules)，它们精确地预测了基态原子的总角动量 $(mathbf{J})$ 和总自旋 $(mathbf{S})$。通过对 $d$ 轨和 $f$ 轨电子排布的系统分析，读者将掌握如何从化学组分预测一个孤立原子或离子潜在的磁矩大小和方向。我们也将探讨晶体场理论（Crystal Field Theory, CFT）和更精确的配位场理论（Ligand Field Theory），解释周围配位环境如何“劈裂”电子能级，从而极大地影响轨道贡献的有效性。 第二部分：固态中的多体效应与相互作用 磁性的真正复杂性体现在材料内部电子间的集体行为。本部分将从单电子模型过渡到描述电子间相互作用的场论方法。 第三章：晶格中的电子——能带理论与平均场 在固体中，电子不再是束缚在孤立原子上的，而是参与到周期性的势场中。我们首先回顾布洛赫定理及其对电子的描述。本章的核心是通过哈密顿量来描述电子的运动。 我们将引入平均场理论 (Mean-Field Theory) 的概念，特别是平均场近似 (MF)，它试图将复杂的 $N$ 体问题简化为每个粒子在其他粒子平均作用下的单体问题。基于此，我们推导出描述铁磁性起源的泡利不相容原理和交换作用的联系。虽然MF理论有其局限性，但它是理解居里温度 $( ext{T}_c)$ 和长程有序的起点。 第四章：交换相互作用的量子力学起源 电子之间的相互作用并非简单的库仑排斥，其量子力学本质——交换相互作用 (Exchange Interaction)，才是铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的根本驱动力。本章将深入探讨海森堡（Heisenberg）模型的推导过程，展示其如何从完整的两电子薛定谔方程中涌现出来。 我们将详细分析弗罗因德利希-洛特卡（Frolich-Löwdin）的超交换 (Superexchange) 机制，这解释了在绝缘体中，尽管离子间存在空间隔离，磁性离子之间仍能通过阴离子桥接产生强烈的反铁磁耦合。同时，我们也会区分直接交换与超交换的物理差异，并探讨德尔塔-K (RKKY) 相互作用在稀土和过渡金属合金中的重要作用，这种间接的长程相互作用是实现复杂磁结构（如螺旋磁性）的关键。 第三部分：磁性相变与集体激发 物质的磁行为表现为宏观的相变，其动力学和激发态需要通过集体模式来描述。 第五章：相变与热力学描述 朗道-费希尔 (Landau-Lifshitz-Ginzburg, LLG) 理论是描述磁性相变的经典工具。本章将运用序参量的概念，特别是磁化强度 $mathbf{M}$，来系统地分类和分析一级和二级相变。我们将推导朗道自由能泛函，并利用它来确定临界温度附近的磁化率行为，例如 $chi sim (T-T_c)^{-gamma}$ 关系。 此外，本书将讨论临界现象，使用重整化群（Renormalization Group, RG）方法来理解不同维度和不同对称性系统在临界点附近普适性的概念，从而解释为什么来自不同材料的铁磁体在 $T_c$ 附近展现出相似的指数。 第六章：磁振子：自旋波的量子化 在低温下，磁有序材料的激发可以被视为集体性的、准粒子模式。我们将从宏观磁化率的方程出发，应用泡利不相容原理和玻恩-奥本海默近似，导出描述自旋波的顺磁子 (Magnon) 理论。 本书将详细推导自旋波色子的哈密顿量，并使用玻戈留博夫-特里波夫（Bogoliubov-Tribe）变换，将经典的自旋翻转算符转化为玻色子算符。读者将学习如何通过测量这些自旋波的色散关系 $E(mathbf{q})$ 来精确确定交换积分和磁晶各向异性常数，这是现代材料表征的核心技术。 第七章：磁性在现代材料中的应用与前沿课题 最后一部分将拓展现有的理论框架，探讨其在尖端技术中的体现。我们将讨论磁性异质结中的界面效应，例如自旋轨道矩 (SOM) 效应，以及它在斯格明子 (Skyrmions) 稳定性和操控中的作用。我们也会简要探讨非共线磁结构（如反铁磁体）的动力学，以及如何利用自旋转移力矩 (STT) 和自旋霍尔效应来开辟低功耗、高密度的新型磁存储技术。 结论：开放的领域 本书提供了一个从第一性原理到宏观现象的全面视图。磁性物理学是一个充满活力且尚未完全解决的领域。从高熵合金中的无序磁性，到拓扑绝缘体中的表面磁性，再到高温超导中的磁通钉扎，我们所探讨的工具和概念是理解这些前沿挑战的必要基础。我们希望本书能激励读者不仅停留在已知的理论框架内，更能在不断演变的凝聚态物理世界中，继续探索物质深处的奥秘。

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