Electronic, Magnetic and Optical Materials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Fulay, Pradeep

出品人:

页数:436

译者:

出版时间:2010-5

价格:$ 118.59

装帧:

isbn号码:9780849395642

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• 电子材料
• 磁性材料
• 光学材料
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 半导体
• 纳米材料
• 薄膜技术
• 材料特性
• 光电效应

凝聚态物理的宏大叙事：从晶格振动到拓扑物态 书名：凝聚态物理导论：从基本原理到前沿探索 作者： 华南理工大学 物理学院 课题组 出版社： 科学出版社 出版日期： 2024年6月 --- 内容简介 本书旨在为物理学、材料科学以及相关工程领域的高年级本科生和研究生提供一套全面、深入且具有前瞻性的凝聚态物理导论教材。我们摒弃了传统教材中过于侧重特定材料性质（如电子、磁性或光学特性）的孤立叙述，转而构建一个统一的、基于量子力学和统计物理的理论框架，用以阐述物质在宏观尺度上展现出的集体行为和新奇物态。本书的结构设计，旨在引导读者从最基础的晶格振动和电子的自由运动概念出发，逐步攀升至量子场论在凝聚态系统中的应用，最终触及当前物理学研究的最前沿领域。 全书共分为五大部分，共计二十章，力求在深度和广度之间找到精妙的平衡。 --- 第一部分：晶格的和谐与振动（The Harmony of Lattices and Vibrations） 本部分聚焦于固体物质的微观结构——周期性晶格，并探讨了晶格的集体激发：声子。这是理解热力学、热输运和电子-声子相互作用的基础。 第一章：晶体结构与对称性 本章详细介绍了布拉维点阵、晶体学符号（如Miller指数）以及空间群的严格定义。我们着重讨论了晶体的对称操作（旋转、反射、反演、螺移），并引入了群论工具来分析晶体的宏观性质（如压电效应、铁电性）与微观结构之间的必然联系。 第二章：晶格振动与声子 从牛顿力学出发，我们推导出一维和三维晶格的色散关系，引入声子（Phonon）作为量子化的晶格振动模式。本章详述了声子的布里渊区、群速度、密度（DOS）的计算，并着重分析了声子在晶格热容（如德拜模型）和热导率中的核心作用。我们还引入了费曼路径积分的概念来理解晶格动力学的微扰处理方法。 第三章：晶格动力学与缺陷工程 深入探讨晶格缺陷（点缺陷、位错、堆垛层错）对材料性能的调控。本章通过哈密顿量的微扰方法，量化了缺陷对声子散射和电子输运的影响，为材料工程中的本征缺陷控制奠定了理论基础。 --- 第二部分：电子的量子化运动与能带理论（Quantum Motion of Electrons and Band Theory） 本部分是凝聚态物理的核心，关注孤立电子在周期势场中的行为，构建了现代固体电子学的理论基石——能带理论。 第四章：晶格周期势中的电子——布洛赫定理 本章严格推导了布洛赫定理及其在周期势场中的薛定谔方程解。重点阐释了能带、能隙的物理意义，并分析了有效质量的概念及其在电子加速、态密度计算中的重要性。 第五章：费米能级与电子的统计行为 引入费米-狄拉克统计，详细讨论了在不同温度下电子在能带中的占据概率。本章计算了零温下的费米面、费米面附近电子的密度和比热，并探讨了金属、半导体和绝缘体的区分标准，基于能带结构而非简单的价/导带概念。 第六章：从紧束缚到近自由电子模型 系统比较了描述电子行为的两种主要近似方法：紧束缚（tight-binding）模型，用于描述强局域化的电子（如d/f电子）；以及近自由电子（Nearly Free Electron）模型，用于描述轻电子在简单金属中的行为。这两种模型的结合，构成了理解复杂能带结构的桥梁。 第七章：能带的拓扑属性初步 超越传统的基于对称性和能量差的能带分析，本章引入了贝里相位（Berry Phase）的概念，预示了拓扑概念在电子结构中的重要性。初步讨论了Chern数和Z2拓扑不变量在描述能带结构中的潜力。 --- 第三部分：电子的集体激发与相互作用（Collective Excitations and Electron Interactions） 本部分超越了单电子近似，关注电子之间的库仑相互作用及其产生的复杂集体现象。 第八章：维格纳晶体与朗道费米液体理论 处理高密度电子系统的基本模型。本章从朗道理论出发，阐述了在低温下，相互作用的电子系统如何仍然可以用准粒子（Quasiparticles）来描述，其性质与自由电子的相似性与差异性。对比讨论了晶格电子可能的重构——维格纳晶体。 第九章：介电函数与电子-电子屏蔽 引入介电函数 $varepsilon(mathbf{q}, omega)$ 来描述电子系统的线性响应。详细分析了静电相互作用在电子海中的屏蔽效应（如Thomas-Fermi屏蔽），并应用于计算晶体中的有效库仑相互作用。 第十章：电子-声子耦合与极化子 深入探讨电子与晶格振动的耦合。本章详细分析了极化激元（Polarons）的形成，以及这种耦合在半导体中的载流子散射、光吸收和光致发光过程中的决定性作用。 第十一章：电子的关联效应——平均场与Hubbard模型 介绍处理强电子关联问题的基本工具。从平均场近似（Hartree-Fock）到Hubbard模型的建立，本章为理解Mott绝缘体和铁磁性等非平凡电子态奠定了基础。 --- 第四部分：长程有序与相变（Long-Range Order and Phase Transitions） 本部分关注宏观现象，特别是当电子或自旋系统达到某种长程有序状态时所展现出的宏观集体效应。 第十二章：磁性的起源与经典描述 从基本磁矩的来源（轨道和自旋）出发，本章介绍了朗之万和居里-外斯理论，描述了顺磁性到铁磁性/反铁磁性的转变，引入了平均场理论对磁性的初步解释。 第十三章：交换相互作用与磁结构 详细分析了导致磁有序的微观机制——交换相互作用（Exchange Interaction）的量子力学起源（泡利不相容原理与单线态/三线态的能量差异）。本章分类讨论了铁磁、反铁磁、亚铁磁和螺旋磁序的形成条件。 第十四章：超导电性：BCS理论的宏观描述 以Ginzburg-Landau唯象理论为起点，过渡到微观的BCS理论。本章聚焦于库珀对的形成、超导能隙的物理图像、以及梅斯纳效应的微观起源，而不侧重于光学或磁性材料中的超导特性。 第十五章：相变与重整化群 系统阐述了临界现象的普适性。本章利用平均场理论的局限性，引入重整化群（Renormalization Group）方法，用于精确计算关键的相变指数，并解释了物理系统如何表现出与细节无关的普适性行为。 --- 第五部分：前沿探索：拓扑、低维与非平衡态（Frontiers: Topology, Low-Dimensional Systems, and Non-Equilibrium） 本部分将读者的视野引向当前凝聚态物理最活跃的研究方向，强调拓扑学在电子态分类中的革命性作用。 第十六章：低维系统的奇特性质 探讨准二维（如二维材料）和准一维系统（如纳米线）中电子行为的独特之处。重点分析了局域化现象（如安德森局域化）和低维系统中的集体激发对热力学性质的影响。 第十七章：拓扑绝缘体与拓扑半金属 本章是全书的亮点之一。系统介绍拓扑电子学，强调利用拓扑不变量（如Chern数、Z2不变量）对电子能带进行分类。详细讨论了体态绝缘但边缘或表面导电的拓扑绝缘体，及其在时间反演对称性下的保护机制。 第十八章：拓扑超导与马约拉纳零能模 将拓扑概念拓展至超导领域。本章讨论了拓扑超导体的分类，并着重介绍了理论物理学家关注的马约拉纳费米子的概念，及其作为潜在量子计算基础的意义。 第十九章：量子霍尔效应的物理图像 从经典霍尔效应出发，深入分析了在强磁场下整数和分数量子霍尔效应的量子化平台。从朗道能级到分数量子霍尔效应中的分形能隙和准粒子激发，展示了拓扑量子化的威力。 第二十章：非平衡态凝聚态物理导论 最后，本书超越了平衡态的限制。本章简要介绍了时变哈密顿量下的动力学问题，包括泵浦-探测技术背后的物理原理，以及如何在时域中探索瞬态的、非平衡的电子态和拓扑性质。 --- 适用对象与学习目标 本书适合已掌握基础量子力学和统计物理的理、工科学生。通过系统学习，读者将能够： 1. 掌握 晶格动力学、能带理论和电子统计的定量分析方法。 2. 理解 磁性、超导性等宏观集体现象的微观起源。 3. 建立 统一的理论框架，将热、电、光、磁等材料性质联系起来。 4. 熟悉 拓扑物态、关联电子系统等当代凝聚态物理的前沿热点。 本书的深度和广度，将为有志于从事凝聚态物理研究、材料设计与开发的学生提供坚实的理论基础和开阔的视野。

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这本书不仅仅是一本工具书，更像是一场对材料世界深层次规律的探索之旅。它成功地搭建了一座桥梁，连接了宏观器件性能与微观量子力学基础。对我来说，最宝贵的收获在于它在介绍“电子”和“磁性”之后，如何自然而然地过渡到“光学”特性，这种逻辑上的连贯性极大地帮助我构建了完整的知识体系。比如，当作者讨论到磁致旋光效应（Faraday Effect）时，他并没有孤立地处理它，而是将其置于电子自旋-轨道耦合和光场相互作用的统一框架下进行解释，这种跨学科的视角非常开阔。书中也涉及了一些计算材料学的初步内容，虽然没有深入到具体的DFT软件包操作，但对于理解计算结果的物理内涵和局限性非常有帮助。读完后，我感觉自己对新型多铁性材料和自旋电子器件的设计思路有了更清晰的认识，不再是盲目地尝试，而是能够基于坚实的物理原理进行理性推断。这本书的价值在于，它能够让读者在掌握基础的同时，清晰地看到未来研究的方向和挑战所在。

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这本书的封面设计得非常简洁，主色调是深邃的蓝色，配上银灰色的标题字体，给人一种专业而沉稳的感觉。我当时是在寻找一本能够全面梳理现代材料科学前沿进展的参考书，尤其是在固态物理和凝聚态物理交叉领域有深入探讨的著作。拿到手里掂了掂，分量十足，这通常意味着内容详尽且涵盖面广。我翻开目录，首先映入眼帘的是对晶体结构和对称性的详细阐述，这部分内容写得非常扎实，对于理解后续的电子和磁性理论打下了坚实的基础。作者在引入这些基本概念时，并没有采取那种枯燥的教科书式叙述，而是巧妙地融入了一些历史背景和关键实验的发现过程，让学习曲线变得平滑许多。特别是关于布洛赫定理的讨论，不仅仅是给出公式推导，还结合了能带理论的直观图像进行解释，这一点对于初次接触能带理论的学生来说，无疑是一大福音。我特别欣赏作者在处理复杂数学模型时的清晰度，每一个符号的引入都有明确的物理意义解释，这避免了读者在阅读过程中因为对符号不熟悉而产生畏难情绪。总而言之，这本书的开篇部分展现出极高的学术水准和优秀的教学设计能力，让人对后续的章节充满期待。

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这本书的排版和图示质量，对于如此专业和技术性的内容来说，起到了决定性的作用。我必须承认，处理电子和磁性材料的复杂性，往往需要极其精密的图解，而这本书在这方面几乎做到了无可挑剔。例如，在描述磁性材料的交换作用时，通过不同的轨道重叠示意图，直观地展示了洪特规则和泡利不相容原理是如何共同作用导致不同的磁序；再比如，在讲解晶体场理论时，对$d$轨道在不同配位场下的劈裂图（如八面体和四面体场），线条清晰，标注明确，即使是那些复杂的群论符号，也得到了恰当的解释。更值得称赞的是，许多公式推导过程的中间步骤非常完整，没有那种直接跳跃到结论的“黑箱操作”，这对于自学者来说简直是救命稻草。如果说有什么可以稍微挑剔的地方，那就是某些前沿的实验技术，比如同步辐射X射线吸收谱（XAS）在磁结构分析中的应用，虽然有所提及，但可以更深入一些，毕竟这已经是现代材料表征的标配了。

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这本书的深度和广度令人印象深刻，尤其是在探讨磁性材料这一宏大主题时，作者展现了非凡的洞察力。我花了相当长的时间精读了关于铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的章节。不同于市面上很多教材只是简单罗列现象，这本书深入挖掘了微观层面的相互作用机制，比如德鲁德模型如何被修正以适应更复杂的自旋系统，以及斯托纳判据在判断铁磁相变临界点时的精确应用。最让我感到惊喜的是，它居然用如此详尽的篇幅探讨了近年来新兴的斯ピン轨道耦合（SOC）效应在强关联电子体系中的关键作用，并将其与拓扑绝缘体的概念联系起来。这部分内容更新速度之快，足以表明作者对该领域的研究动态保持着高度敏感。我记得在讲解磁畴结构时，作者没有局限于经典的朗道-利夫希茨方程，而是加入了对磁滞回线如何受到缺陷和应力影响的现代分析方法，这对于材料工程师来说，具有极高的实用价值。阅读过程中，我多次停下来，对照着自己手头的计算模拟结果进行印证，发现书中的理论预测与实际观察高度吻合。

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光学性质这部分内容的处理方式，可以说是这本书的一大亮点，它成功地将量子力学的抽象概念与宏观的光学响应联系了起来。作者从麦克斯韦方程组出发，逐步推导出介电函数和磁导率张量的形式，这是理解材料如何与电磁波相互作用的基石。我个人对半导体材料中的光吸收和光致发光机制特别感兴趣，而这本书对激子效应的讨论，无论是居里激子还是瓦尼亚激子，都给出了非常细致的分类和深入的物理图像。不同于那种停留在半经典描述的教材，这里清晰地阐述了带间跃迁的微观概率和选择定则，这对于设计新型光电器件至关重要。而且，作者还引入了非线性光学响应的初步概念，例如二阶和三阶非线性系数的物理来源，尽管只是一个引言性质的介绍，但已经足够激发读者进一步探索的兴趣。我尤其喜欢作者在解释色散关系时，总是会配上实际材料的实验数据图表进行对比，这使得抽象的理论公式不再是空中楼阁，而是有了实在的锚点，阅读体验非常流畅且具有启发性。

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