Strongly Correlated Systems, Coherence and Entanglement pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Lopes Dos Santos, J. M. B. 编

出品人:

页数:600

译者:

出版时间:

价格:$ 186.86

装帧:HRD

isbn号码:9789812705723

丛书系列:

图书标签:

• Strongly Correlated Systems
• Condensed Matter Physics
• Quantum Entanglement
• Quantum Coherence
• Many-Body Physics
• Quantum Information
• Statistical Mechanics
• Solid State Physics
• Quantum Materials
• Computational Physics

《凝聚态物理前沿：从拓扑到新奇量子态的探索》 导言：量子世界的奇妙疆域 本书旨在全面深入地探讨当代凝聚态物理学中最具活力和前瞻性的研究领域。随着实验技术和理论工具的不断精进，我们正以前所未有的精度和深度揭示物质在极端条件下所展现出的复杂量子行为。从宏观尺度上对材料性质的经典描述，到微观层面基于基本量子力学原理的精确模拟，凝聚态物理已经成为连接基础科学与前沿技术创新的桥梁。本书的叙事线索将围绕“拓扑”、“非玻色-爱因斯坦凝聚”以及“强关联系统中的新奇量子物态”这三大核心支柱展开，力求为读者构建一个清晰、连贯且充满挑战性的知识图景。 第一部分：拓扑物质的几何之美与物理意义 拓扑学，这门起源于纯数学的分支，在凝聚态物理中找到了令人惊叹的应用。拓扑绝缘体和拓扑半金属的概念颠覆了传统的能带理论分类，揭示了物质的本质性质可以被其宏观几何结构——拓扑不变量——所保护。 第一章：拓扑序的概念与分类 本章首先回顾了传统对称性破缺理论的局限性，引入了久期·奥沙夫提出的拓扑序（Topological Order）概念。拓扑序描述的是一种超越了局域序参量（如磁化强度或电荷密度）的、依赖于系统整体拓扑结构的激发模式。我们深入探讨了分数霍尔效应中体现的非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons）的数学结构，这是理解拓扑量子计算潜力的关键。通过对不同维度的系统进行考察，我们将拓扑绝缘体分为第一类（$mathbb{Z}_2$不变量）和更高阶的拓扑相。 第二章：拓扑绝缘体：边界与体态的对立 重点阐述了二维和三维拓扑绝缘体的物理图像。在二维系统中，我们详细分析了量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应（QSHE）之间的联系与区别。QSHE的保护机制基于时间反演对称性，其关键特征是存在受保护的、自旋相关的、无耗散的螺旋边缘态（Helical Edge States）。我们利用克莱因-拉珀模型（Klavin-Rapp Model）和强自旋-轨道耦合（SOC）来展示如何从微观能带结构推导出宏观的拓扑不变量。 在三维情形下，拓扑绝缘体（TIs）具有绝缘的体态和导电的表面态。通过对狄拉克锥的分析，我们展示了表面态的线性色散关系及其强烈的自旋-动量锁定。实验观测到的反常霍尔效应和磁性拓扑绝缘体（如$ ext{MnBi}_2 ext{Te}_4$系列）的引入，将拓扑性质与磁性相互作用结合起来，开辟了拓扑铁磁体的研究方向。 第三章：高阶拓扑与奇异的拓扑晶体 超越了传统的零阶和一阶拓扑相，本章关注高阶拓扑绝缘体（Higher-Order Topological Insulators, HOTIs）。这些材料的特征在于其边界维度比传统的拓扑绝缘体低两级（例如，三维系统具有导电的“角点”或“边态”，而非表面态）。我们利用晶体对称性（Crystallographic Symmetries）来分类和预测新的HOTI相，例如，基于$C_4$旋转对称性的二维高阶拓扑晶体，以及其特征性的零能模式（Zero-Energy Modes）。 第二部分：超冷原子与玻色-爱因斯坦凝聚的精妙调控 超冷原子系统提供了一个无与伦比的“可编程”量子模拟平台。通过激光冷却和磁光陷阱技术，可以将原子冷却至纳开尔文量级，从而实现对相互作用的精确控制。 第四章：玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的基础与实现 本章回顾了BEC的统计力学基础，特别是玻色-爱因斯坦统计在极低温度下的显著行为。我们将详细分析理想玻色气体在三维势阱中的凝聚转变温度和序参量（宏观波函数）。随后，我们讨论了实现真实BEC所需的关键技术：多级激光冷却（如Doppler冷却和Sisyphus冷却）、蒸发冷却以及磁光陷阱（Magnetic Optical Trap, MOT）的原理。 第五章：相互作用的调控与费希-珀塞尔（Feshbach）共振 BEC的物理性质高度依赖于粒子间的相互作用强度。本章的核心是费希-珀塞尔共振技术，它允许实验者通过调节外部磁场来改变原子间的s波散射长度。我们将详细阐述里德伯格原子相互作用和Feshbach共振的量子力学描述，并展示如何利用这一工具实现从弱相互作用到强相互作用的平滑过渡。 第六章：扩展到费米子系统与莫特绝缘体 我们将讨论如何将BEC的理论框架扩展到费米气体。在极低温度下，费米子通过巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论实现配对凝聚。接着，我们转向哈伯德模型在光晶格（Optical Lattices）中的模拟。特别是，我们深入探讨了莫特绝缘体（Mott Insulator）的形成机制：当晶格深度足够大，使得原子间的隧穿能小于其局域的相互作用能时，系统会进入一个局域化的、具有整数量子占有数的绝缘相。这一相是理解量子相变（Quantum Phase Transition）的理想模型。 第三部分：复杂关联系统中的新现象与应用展望 凝聚态物理的终极挑战在于处理具有强相互作用的系统，其中电子的运动不再可以被视为彼此独立的准粒子。 第七章：强关联电子系统的基本模型 本章聚焦于Hubbard模型在电子系统中的应用。我们分析了介观磁性和电荷密度波（Charge Density Waves, CDW）的竞争与共存。通过平均场理论（Mean-Field Theory）和蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulations），我们试图理解为什么在某些高迁移率材料中会出现d波超导性，以及这种超导性与邻近的磁性或电荷有序态之间的紧密耦合关系。 第八章：量子模拟与新兴材料的潜力 本章探讨如何利用光晶格和拓扑系统来模拟那些难以在传统固态材料中实现的物理现象。我们重点讨论了拓扑超导性在人工系统中的诱导，以及如何通过光场的周期性驱动（Floquet Engineering）来拓扑化一个原本平庸的材料，从而“锁定”出具有保护性边缘态的新拓扑相。 结论：未来方向与开放问题 本书的最后部分将总结当前凝聚态物理学的核心突破，并展望未来极具挑战性的研究方向。这包括对非厄米系统（Non-Hermitian Systems）中增益与损耗平衡的研究，拓扑材料的器件化，以及如何利用机器学习来加速新奇量子态的发现和分类。凝聚态物理的未来，在于精确控制和深刻理解物质世界中涌现出的复杂、非平凡的量子行为。

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