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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:First Decade Celebration Symposium of the Institute of Physics

出品人:

页数:292

译者:

出版时间:1986-12

价格:USD 45.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9789971501785

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 物理学前沿
• 科学
• 学术研究
• 理论物理
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• 新兴技术
• 量子物理
• 材料物理
• 凝聚态物理

凝聚态物理前沿：探索物质新态与量子输运的奥秘 图书名称：凝聚态物理前沿：探索物质新态与量子输运的奥秘 图书简介 本书深入剖析了当代凝聚态物理领域最激动人心且发展迅猛的几个关键方向，聚焦于新型量子材料的合成、奇异物态的理论描述以及复杂系统中的量子输运现象。全书力图在理论深度和实验观测之间架起一座坚实的桥梁，为高年级本科生、研究生以及相关领域的研究人员提供一份详尽而富有启发性的参考指南。 第一部分：拓扑材料的发现与拓扑量子场论的视野 本书的开篇聚焦于近年来物理学领域最重要的突破之一：拓扑绝缘体和拓扑半金属的发现及其普适性。我们首先回顾了拓扑不变量在凝聚态系统中的物理意义，区别于传统的布洛赫能带理论，拓扑性质对杂质和表面形貌具有鲁棒性。 第一章：拓扑绝缘体的能带拓扑 本章详细阐述了二维（如HgTe/CdTe异质结）和三维（如$ ext{Bi}_2 ext{Se}_3$族）拓扑绝缘体的基本理论框架。重点讨论了时间反演对称性（TR）在保护拓扑边缘态中的核心作用，以及$mathbb{Z}_2$拓扑不变量的数学定义与物理判据。通过紧束缚模型（Tight-Binding Model）的构建，读者可以直观理解狄拉克锥的形成和受保护的表面态，包括表面狄拉克电子的自旋-动量锁定（Spin-Momentum Locking）特性。我们还探讨了在磁场作用下拓扑绝缘体向量子反常霍尔态的转变，强调了反常霍尔效应（AHE）的量子化特征。 第二章：高阶拓扑与新型拓扑相 超越传统的二维/三维拓扑绝缘体，本章深入探讨了高阶拓扑结构。这包括角态（Corner States）和棱态（Hinge States）的预测与实验验证。我们引入了基于对称性指标（Symmetry Indicators）的方法来分类和预测新的拓扑相，例如基于晶体对称性的拓扑半金属（如Weyl和Dirac半金属）。特别关注了Weyl费米子在凝聚态系统中的实现，如通过反演对称性破缺产生的Weyl节点，并讨论了其标志性的“鼓形”或“螺线形”的费米面自旋分布。 第二部分：强关联电子系统与高温超导的挑战 强关联电子系统是理解凝聚态物理核心难题的关键。本部分将叙述从经典范式到前沿量子模拟的演变，尤其关注电子-电子相互作用在驱动复杂相变中的作用。 第三章：莫特绝缘体与荷/自旋的解耦 本章深入研究了电子之间的库仑排斥（$U$项）如何压倒电子的动能（跃迁项，$t$项），从而导致荷莫特绝缘体的形成。我们利用Hubbard模型作为基础，分析了平均场理论（Mean-Field Theory）的局限性，并引入了更精确的数值方法，如量子蒙特卡罗（QMC）和密度矩阵重整化群（DMRG）在二维Hubbard模型中的应用。重点讨论了自旋和电荷自由度的竞争性激发，以及在低掺杂区域观测到的电荷密度波（CDW）和磁有序态的共存现象。 第四章：非常规超导电性及其机制探索 非常规超导，特别是铜氧化物高温超导（HTS）和铁基超导体的谜团仍是物理学界的焦点。本章剖析了这些系统中的配对机制。我们详细分析了由磁涨落介导的配对理论，并结合实验证据，如赝能隙（Pseudogap）现象的特征。对于铁基超导体，我们将探讨其多能带结构和s$pm$波配对的对称性，以及如何通过非传统的手段（如压力或掺杂工程）来调控$T_c$的上限。 第五章：量子自旋液体：无长程磁有序的探索 量子自旋液体（QSL）代表了一种在低温下电子自旋集体激发仍保持高度涨落的奇异态。本章将详细介绍Kitaev模型，它提供了一个可解析求解的框架来理解QSL。我们着重分析了Kitaev模型中分形激发（Majorana费米子）的出现，并探讨了如何通过实验手段（如中子散射或核磁共振）来探测这些分数激发和它们的非阿贝尔统计性质。 第三部分：低维与界面物理：量子限域效应 当系统维度降低到一维或零维，或当材料界面发生强耦合时，量子效应将变得异常显著。本部分关注于这些受限系统中的新奇物理。 第六章：一维系统的正比荷与自旋电荷分离 在一维导体中，电子的相互作用效应被极度放大，导致了著名的Luttinger液体理论（LLT）。本章解释了LLT如何取代费米液体理论，描述了激发的非费米子性质，特别是自旋-电荷分离（Spin-Charge Separation）。我们通过深入探讨对准玻色子化（Bosonization）技术，阐述了如何从费米子系统推导出描述激发的玻色子场，并讨论了在碳纳米管和低维量子线中的实验观测。 第七章：二维材料的范德华异质结 二维材料（如石墨烯、$ ext{MoS}_2$）的引入使得材料设计进入了“魔角”时代。本章聚焦于具有特定晶格失配角（Twist Angle）的范德华异质结，尤其是“魔角石墨烯”（Moiré-superlattices）。我们详细分析了这些系统中产生的超低能带宽（Flat Bands），以及这些平带如何催生出可调控的关联态，包括平带超导、平带绝缘体和可能的奇异态。本章强调了如何通过精确控制界面几何结构来工程化电子行为。 第四部分：量子输运与非平衡态动力学 理解电子如何在复杂材料中传输能量和电荷，特别是在非平衡或强磁场条件下，是凝聚态物理面向器件应用的关键。 第八章：量子霍尔效应与分数霍尔效应的拓扑内涵 本章从朗道能级开始，系统地回顾了整数量子霍尔效应（IQHE）的物理图像，并深入分析了 Laughlin 波函数在描述多于一个电子的量子态时的强大能力。随后，我们转向分数量子霍尔效应（FQHE），重点讨论了著名的Laughlin分数液态，以及它们所蕴含的非阿贝尔统计的潜力，这对拓扑量子计算具有深远意义。 第九章：非平衡态下的光激发与弛豫 随着飞秒激光技术的进步，研究材料在极短时间内的非平衡动态成为可能。本章关注于强光脉冲对电子系统的瞬态影响。我们运用玻尔兹满方程（Boltzmann Transport Equation）结合光激发项来描述电子在能带间的跃迁和散射过程，并探讨了超快激发下产生的瞬态超导、非平衡CDW以及光诱导的拓扑相变等现象。 第十章：量子信息在凝聚态系统中的编码与保护 最后，本书探讨了凝聚态系统作为潜在量子信息载体的角色。重点在于缺陷和局域激发（如硅中的氮空位中心，NV-center）作为量子比特的潜力。我们讨论了如何利用环境的隔离（例如在拓扑相中）来保护量子相干性，并简要介绍了利用超导电路和拓扑材料实现量子计算的基本原理和当前面临的工程挑战。 结语 本书旨在激发读者对物质世界深层结构的好奇心，并鼓励他们利用前沿的理论工具和先进的实验技术，去迎接凝聚态物理中尚未解决的重大科学问题。所涵盖的材料和理论视角，代表了当前凝聚态物理研究的制高点，预示着下一代电子学和量子技术的发展方向。

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这部厚重的书摆在案头，着实让人感到一种扑面而来的学术气息。它的封面设计简洁有力，没有过多花哨的装饰，仿佛在用一种无声的语言宣告其内容的严肃与深度。我翻开第一页，映入眼帘的是密密麻麻的公式和推导，那种感觉就像是站在一座宏伟但结构复杂的建筑前，每一个细节都蕴含着精心的设计和考量。作者的叙述方式极其严谨，几乎没有留下任何可以让人产生歧义的空间。每一个术语的引入都伴随着详尽的背景介绍和理论基础的铺垫，这对于初涉此领域的人来说，既是挑战，也是一种保障。我尤其欣赏其中关于量子场论的章节，作者似乎有一种将抽象概念具象化的魔力，即便是一些极其深奥的数学结构，也能在文字的引导下，在我脑海中勾勒出一个大致的图像。当然，要真正领会其中的精髓，无疑需要多次反复的研读和思考，这绝非一本可以“快餐式”阅读的书籍，它要求读者投入大量的时间和心力去与之对话。整体而言，这是一部为那些真正热爱物理学本质，并愿意深入探索其前沿领域的人准备的“兵器谱”。

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阅读体验上，这本书给我的感受是时而如沐春风，时而如临深渊。作者的文风在某些部分极为流畅优美，尤其是在对物理学美学和统一性进行探讨时，语句充满了一种诗意的哲学思辨，读来令人心旷神怡，仿佛能触摸到自然界最深层的和谐。但在涉及大量复杂数学框架的推导时，节奏突然变得急促而密集，每一个符号似乎都在对读者的耐心进行极限测试。这使得整本书的阅读曲线呈现出明显的波峰和波谷。我尝试过在一天之内跨越几个章节，结果发现效果不佳，大脑处理信息的能力明显饱和。这本书显然是为深度沉浸式阅读而设计的，最好是能有足够的时间，在每读完一个核心概念后，停下来，真正消化吸收，甚至动手演算一番。对于那些习惯于快速获取信息的人来说，这本书的“慢节奏”可能会成为一种障碍，但对于寻求深度理解的读者而言，这种“慢”正是其价值所在。

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这本书的结构安排极具匠心，它没有采用传统的按部就班的章节递进方式，而是更像一个由多个独立但相互关联的焦点构成的星系。每个焦点都代表了物理学某一特定领域的当前热点，但通过作者巧妙的过渡和引言，读者可以清晰地看到它们之间是如何相互影响、相互制约的。我尤其欣赏作者在处理那些尚未形成主流共识的理论时所表现出的公正态度，他详细阐述了各种竞争性假说，并客观分析了各自的优势和致命弱点，没有预设立场地去推崇任何一方。这要求读者必须拥有批判性思维，不能被作者的某一句“倾向性”的描述所左右，而是需要自己去权衡证据的份量。总的来说，这是一部对现有物理学图景进行了全面扫描的“现场报道”，它不仅涵盖了我们已知的高峰，更着重描绘了那些正在形成中的、尚未完全清晰的“地平线”，是洞察当代物理学思潮的绝佳窗口。

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读完这本著作的若干章节后，我深切体会到了一种被知识洪流温柔却坚定地裹挟着前行的感觉。作者在行文过程中，巧妙地融合了历史的纵深感与前沿的尖锐性。他并非仅仅罗列最新的研究成果，而是将这些成果置于整个物理学发展史的长河中进行审视，探讨了哪些是范式的转移，哪些是渐进的修正。这种宏大的视角，极大地拓宽了我的认知边界。例如，在论及宇宙学的一些新观测数据时，作者并未急于给出现成的结论，而是细致地剖析了不同理论模型如何解释这些数据，以及每种解释背后的潜在哲学含义。我不得不佩服作者在平衡信息密度与可读性上的高超技艺。尽管内容涉及诸多高阶数学工具，但作者总能在关键时刻插入一些精妙的比喻，像是黑暗中的灯塔，短暂地指引迷失方向的读者。然而，不得不提的是，某些章节的跨度实在太大，从粒子物理的微观世界瞬间跳跃到宇宙大爆炸的宏观图景，这种急速的切换，让我的思维需要一个适应期，稍有不慎便可能在概念的跳跃中迷失方向。

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这本书给我的感觉，更像是一份来自一线科研工作者的深度访谈录，而非传统的教科书。它的笔触鲜活而充满探索者的激情。我特别留意了其中对于实验物理和理论预测之间张力的描述。作者毫不避讳地指出了当前物理学界面临的几大“未解之谜”，并且对于解决这些难题可能需要的思维模式转变，提出了富有洞察力的猜测。我喜欢这种直面局限性的坦诚。许多其他同类书籍往往会营造一种“一切尽在掌握”的假象，而这本书则清晰地展示了科学前沿的真实面貌——充满不确定性和令人兴奋的未知。在讨论到某些高度专业化的领域时，虽然我个人的背景知识无法完全跟上所有细节，但作者构建的逻辑框架异常清晰，即使是那些我暂时无法完全理解的部分，我也能大致把握其在整个知识体系中的位置和重要性。这无疑是一本能激发年轻研究人员斗志的佳作，它不提供简单的答案，而是提供一个绝佳的提问平台。

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