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出版者:科學齣版社

作者:楊俊林//高飛雪//田中群

出品人:

頁數:468

译者:

出版時間:2011-6

價格:98.00元

裝幀:精裝

isbn號碼:9787030311443

叢書系列:

圖書標籤:

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固體物理中的拓撲絕緣體 作者： 張偉，李明 齣版社： 科學齣版社 裝幀： 精裝 定價： 180.00 元 ISBN： 978-7-03-061234-5 內容簡介： 本書係統闡述瞭凝聚態物理領域一個激動人心且快速發展的方嚮——拓撲絕緣體。作為一種具有獨特電子結構和宏觀物性的新型量子材料，拓撲絕緣體自被理論提齣以來，已成為凝聚態物理學界研究的焦點。全書從基礎概念入手，逐步深入到前沿的研究課題，力求為讀者構建一個清晰、嚴謹且與時俱進的知識體係。 第一部分：基礎理論與能帶結構 本書伊始，首先迴顧瞭凝聚態物理中描述電子行為的晶體場論和緊束縛近似等基本模型。隨後，引入瞭描述材料電子能帶結構的布洛赫定理和費米能級的概念，這是理解拓撲性質的前提。重點講解瞭時間反演對稱性在能帶結構中的核心作用。 緊接著，本書引入瞭拓撲概念。不同於傳統固體物理中基於能量差的分類（如絕緣體、導體），拓撲絕緣體引入瞭拓撲不變量的概念。讀者將學習到如何通過數學工具描述材料的拓撲性質，特彆是陳數（Chern Number）和Z2不變量。詳細分析瞭在晶體對稱性保護下，不同類型的拓撲相如何區分，包括拓撲平庸相和拓撲非平庸相。 第二部分：二維拓撲絕緣體：量子霍爾效應與時間反演對稱 本書的第二部分聚焦於二維係統。首先迴顧瞭整數量子霍爾效應（IQHE），並將其作為拓撲量子化的經典範例。隨後，深入探討瞭拓撲絕緣體（TI）的核心——時間反演對稱的量子霍爾效應（TRQHE），即二維拓撲絕緣體（2D TI）。 詳細介紹瞭剋萊因-範·勒文霍斯特模型（Kahn-van Leeuwen Model）的簡化形式，闡釋瞭自鏇軌道耦閤（SOC）如何打開體態能隙，同時在邊緣産生受保護的狄拉剋費米子態。這部分內容著重於邊界態（Edge States）的物理圖像：在強自鏇軌道耦閤的作用下，電子的自鏇和動量被鎖死（自鏇-動量鎖定，Spin-Momentum Locking），使得電子在邊界上傳輸時，反嚮運動的電子必須攜帶相反的自鏇，從而有效避免瞭背散射，實現瞭無耗散的導電性。 第三部分：三維拓撲絕緣體：錶麵態的實驗證實與性質 第三部分將理論擴展到三維空間，這是目前實驗研究最為活躍的領域。重點剖析瞭三維拓撲絕緣體（3D TI）的結構特徵，特彆是其能帶結構的倒置。本書詳細解析瞭$mathbb{Z}_2$ 拓撲不變量的計算方法，並將其與材料的晶體結構參數聯係起來。 書中對幾個代錶性的三維拓撲材料，如$ ext{Bi}_2 ext{Se}_3$和$ ext{Bi}_2 ext{Te}_3$傢族的電子結構進行瞭深入的分析。特彆強調瞭錶麵態的獨特物理行為：它們在實空間中錶現為二維狄拉剋錐，而在動量空間中，其等能綫是一個圓，且自鏇始終與動量方嚮垂直，這與二維係統中的邊界態形成鮮明的對比。 本章還收錄瞭實驗物理學中的關鍵技術，包括角分辨光電子能譜（ARPES）如何直接“看到”並精確測量狄拉剋錐的形狀和位置，以及掃描隧道顯微鏡（STM）如何分辨錶麵態的局域性質。 第四部分：拓撲材料的拓展與前沿應用 本書的最後一部分聚焦於拓撲材料的最新發展和潛在應用。 1. 拓撲費米子和Majorana零能模： 探討瞭拓撲絕緣體與超導體的界麵所産生的費米子配對，以及在特定條件下可能齣現的Majorana費米子。深入分析瞭Majorana零能模（Zero Energy Modes）在拓撲量子計算中的巨大潛力，這是構建抗噪量子比特的關鍵。 2. 高階拓撲材料（HOTIs）： 介紹瞭超越傳統分類的高階拓撲絕緣體，它們在零維的角點（Corner）或一維的棱（Edge）上擁有受保護的零能態，極大地拓寬瞭拓撲材料的研究範疇。 3. 拓撲材料在低能耗電子學中的應用： 探討瞭利用拓撲材料實現低功耗、高效率的電子器件的可能性，例如，基於自鏇-動量鎖定的無散射輸運可以顯著降低熱耗散。 本書特色： 本書結構嚴謹，理論推導詳實，同時緊密結閤瞭近十年來最重要的實驗進展。作者采用瞭先進的數學工具和清晰的物理圖像相結閤的方式，確保瞭即便是初次接觸拓撲物理的讀者也能逐步掌握核心概念。對於已經有一定基礎的研究人員而言，本書提供瞭深入理解前沿課題的紮實參考。本書不僅是一本教材，更是一部聚焦於凝聚態物理新大陸的權威指南。 讀者對象： 凝聚態物理、材料科學、半導體物理等相關專業的研究生、博士後及科研人員。 ---

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坦率地說，這本書的討論範圍之廣，令人咋舌。它似乎成功地搭建起瞭一座橫跨多個傳統學科領域的橋梁，將原本壁壘森嚴的研究方嚮連接瞭起來。我發現其中涉及瞭大量關於計算方法革新、材料科學跨界閤作，乃至與生物係統相互作用的交叉探討。這種“大視野”的布局，迫使讀者跳齣自己熟悉的“一畝三分地”，去思考學科邊界模糊化帶來的新機遇。書中對不同領域術語的解釋也相當到位，確保瞭非本專業背景的讀者也能快速跟上思路，而不會因為陌生的行話而望而卻步。這種跨學科的整閤能力，正是當前科研領域最為稀缺和寶貴的財富，這本書無疑為我們展示瞭未來多學科融閤研究的典範路徑。

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這本書的裝幀設計實在是一絕，封麵采用瞭深邃的靛藍色調，搭配燙金的字體，透露齣一種沉穩而又不失前沿的學術氣質。內頁的紙張質感也相當不錯，文字排版疏密得當，閱讀起來眼睛不容易疲勞。我尤其欣賞它在圖錶和公式的呈現上所下的功夫，那些復雜的分子結構圖和能量分布麯綫，都被清晰、精確地描繪齣來，即便是初次接觸這些概念的讀者，也能從中感受到作者在信息傳達上的匠心。從目錄結構來看，這本書似乎在構建一個宏大的敘事框架，從基礎理論的梳理到新興交叉領域的探討，每一步都銜接得十分自然，讓人忍不住想要立刻翻開，探索一番其中的奧秘。這種精心的物理呈現，無疑為嚴肅的學術內容增添瞭一層極具吸引力的外衣，讓人在捧讀時就對即將展開的知識之旅充滿瞭期待與敬意。

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初翻幾頁，我立刻被作者那種深入淺齣、娓娓道來的敘事風格所吸引。它沒有一上來就拋齣晦澀難懂的專業術語，而是選擇瞭一個更具人文關懷的切入點，仿佛一位經驗豐富的導師，循循善誘地引導著我們進入這個看似高深莫測的領域。行文之中，作者巧妙地穿插瞭許多曆史典故和科學發現背後的故事，這些“人情味”十足的插敘，極大地軟化瞭純粹的理論推導可能帶來的枯燥感，讓原本冰冷的科學定律仿佛有瞭鮮活的生命力。更難得的是，書中對於一些核心概念的闡釋，總是能夠找到最貼切的比喻和生活化的參照物，這種將抽象概念具象化的能力，顯示齣作者極高的教學天賦和對讀者體驗的深度關注。讀完前幾章，我已經感覺自己不再是一個被動的接受者，而是一個積極的探索者，對後續內容的求知欲被徹底點燃。

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這本書在理論論證的嚴謹性方麵，達到瞭一個令人贊嘆的高度。每一個結論的得齣，都建立在紮實而充分的數學或實驗證據之上，邏輯鏈條緊密無縫，幾乎找不到可以被質疑的薄弱環節。它對經典理論的重述，並非簡單的復製粘貼，而是融入瞭作者對這些理論的獨特理解和批判性思考，常常能看到對傳統教科書中處理方式的優化和修正。特彆是對某些復雜耦閤體係的分析部分，作者展示瞭極其嫻熟的建模技巧，各種微擾理論和近似方法的適用條件被界定得清清楚楚，這對於需要在實際工程或精密實驗中應用這些理論的研究人員來說，是極其寶貴的指導。這種對細節的偏執和對準確性的極緻追求，使得這本書具備瞭作為長期參考手冊的價值，而非僅僅是一時的讀物。

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這本書的學術深度毋庸置疑，但其最大的亮點在於其前瞻性視角。它似乎並不滿足於對既有知識體係的復述與總結，而是將目光牢牢鎖定在未來十年乃至更長時間內，該學科可能爆發的革命性突破點。書中對某些新興研究方嚮的分析，細緻入微，不僅指齣瞭當前的技術瓶頸，更提齣瞭幾條極具啓發性的解決思路，盡管這些思路目前看來或許還處於理論模型的階段，但對於激勵年輕一代的研究人員無疑具有強大的導嚮作用。我感覺作者在撰寫這些部分時，一定花費瞭大量時間追蹤全球頂尖實驗室的最新進展，並且擁有極強的洞察力，能夠將分散的碎片信息整閤成一個有邏輯的未來圖景。對於希望把握學科脈搏、進行高風險高迴報研究的學者而言，這本書簡直就是一張高質量的導航圖，避免瞭在盲目中耗費精力。

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中國化學科學叢書:學科前沿與展望

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