Quantum and Semi-Classical Percolation and Breakdown in Disordered Solids pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Chakrabarti, B. K. 编

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页数:326

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价格:$ 111.87

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isbn号码:9783540854272

丛书系列:

图书标签:

• Percolation
• Disordered Solids
• Quantum Physics
• Condensed Matter Physics
• Statistical Physics
• Breakdown Phenomena
• Semi-Classical Physics
• Localization
• Transport Phenomena
• Non-Equilibrium Systems

量子与半经典渗流及无序固体击穿 引言 无序材料因其普遍存在和多样的应用而备受关注，从半导体到超导体，再到介观体系和生物分子。材料的宏观性质往往深刻地依赖于其微观结构，特别是其中存在的缺陷、杂质或无规分布。理解这些无序性如何影响材料的电学、光学和磁学行为，是凝聚态物理学中的一个核心挑战。在众多描绘无序材料特性的框架中，渗流理论和击穿现象是研究无序性效应的两大关键概念。 渗流理论，作为一种描述连接性和相变的统计物理工具，能够有效地揭示在随机系统中，当某种组分达到临界密度时，将出现宏观尺度的连通性。这在理解多孔介质中的流体输运、网络模型中的信息传播，乃至无序导体中的电导等方面扮演着至关重要的角色。而在许多绝缘体或弱导体材料中，施加足够高的电场会触发电导率的急剧升高，即击穿现象。这种击穿并非简单的欧姆行为的终结，而是伴随着复杂的物理过程，如载流子雪崩、热效应、结构重组等。 本书《量子与半经典渗流及无序固体击穿》旨在深入探讨量子效应和半经典近似在无序固体材料的渗流和击穿现象中的作用。我们将从基础概念出发，逐步深入到更复杂的多体相互作用和非平衡动力学，力图勾勒出一幅清晰而全面的图景。本书并非简单地罗列已知结果，而是力求通过理论分析、数值模拟和与实验结果的联系，揭示其中蕴含的深刻物理机制。 第一部分：渗流理论基础与无序导体 在本书的第一部分，我们将建立理解无序材料渗流行为的理论基石。我们首先会回顾经典渗流理论，包括格点渗流、连续渗流以及关键的临界指数和标度律。我们将探讨渗流阈值的概念，以及它如何决定了材料宏观连通性的出现。 随后，我们将重点转向无序导体中的电导问题。传统的Drude模型虽然在描述自由电子气方面取得成功，但在存在大量缺陷和杂质的无序材料中，电子的传播会受到显著的散射。本征的无序性不仅会降低电导率，更可能导致在足够低的温度下出现绝缘行为，这便是所谓的“无序绝缘”现象。我们将在此基础上，引入量子退相干和弱定位效应，这些量子现象会增强电子的散射，并可能导致电导率的负斜率，即负电导。 我们还将深入研究Anderson绝缘的概念。Anderson的开创性工作表明，在足够强的无序性下，电子的波函数会发生局域化，从而导致电导率在任何有限温度下都趋于零。我们将详细阐述Anderson局域化的数学表述，以及如何通过计算局域化长度来判别材料是否处于绝缘相。在此过程中，金属-绝缘体相变的物理机制将得到清晰的阐释。 此外，对于介观体系，尺度的效应变得尤为重要。我们将讨论在有限尺寸的无序系统中，渗流行为的尺度依赖性，以及它如何与宏观尺寸的相变行为联系起来。例如，有限尺寸效应如何影响渗流阈值的展宽，以及如何通过拟合不同尺寸下的数据来提取临界指数。 第二部分：量子效应对渗流和击穿的影响 进入第二部分，我们将聚焦于量子效应在渗流和击穿现象中的核心作用。我们知道，在低温和高电导率的材料中，量子隧道效应是载流子输运的重要机制。例如，在一些非晶态材料中，电子可以通过跳跃（hopping）的方式在局域态之间运动，这种跳跃的概率与量子隧穿振幅密切相关。 我们将详细讨论多体隧穿（many-body tunneling）和库仑阻塞（Coulomb blockade）等效应。库仑阻塞是指，由于电子之间的库仑斥力，在一个微小的导体岛上，额外的电子注入需要克服一个能量势垒。这会显著影响材料在低电压下的电导行为，并在某些情况下导致分立的电导阶梯。我们将探讨如何利用量子点、量子线和纳米颗粒等结构来研究这些库仑阻塞效应，以及它如何与渗流网络相互作用。 在强电场下，即使在绝缘体中，量子隧穿效应也可能被显著增强，从而触发击穿。例如，Fowler-Nordheim隧穿和Poole-Frenkel隧穿是两种常见的电场增强隧穿机制。我们将分析这些机制在不同材料体系中的适用性，以及它们如何导致电导率的非线性升高。 此外，量子相干性在无序固体中也是一个至关重要的问题。例如，电子在散射过程中会发生相干传播，这种相干性可以导致诸如干涉增强（interference enhancement）之类的效应，从而影响电导率。我们将探讨量子相干性如何影响材料的平均电导率，以及在某些情况下如何导致非平凡的介观量子现象。 第三部分：半经典近似与击穿机制 第三部分将转向半经典近似在理解无序固体击穿现象中的应用。虽然量子效应在某些 regime 下是主导的，但在许多实际材料中，尤其是在较高的温度或较强的电场下，载流子的运动可以被视为半经典轨迹。 我们将深入研究热激发载流子和陷阱辅助隧穿等半经典击穿机制。在绝缘体中，热激发可以产生少量的载流子，这些载流子在电场作用下加速，并可能通过与晶格的散射释放能量，导致局部过热和击穿。陷阱辅助隧穿是指，载流子在电场作用下，通过中间的陷阱态进行隧穿，这可以降低隧穿的有效势垒，从而增强电导。 我们将重点分析雪崩击穿（avalanche breakdown）。在某些半导体材料中，当电子在强电场下加速到足够高的能量时，它们可以与晶格发生非弹性碰撞，产生新的电子-空穴对。这些新产生的载流子又会被进一步加速，引发一个指数增长的载流子数量，即雪崩。我们将探讨雪崩的起始条件、增长速率以及其对材料宏观电导的影响。 同时，我们还会讨论热击穿（thermal breakdown）的机制。当电流通过材料时，焦耳热会导致材料温度升高。如果材料的电导率随着温度的升高而急剧增加，那么温度的升高会进一步增加电导率，从而导致更强的焦耳热，形成一个正反馈回路，最终导致材料的熔化或分解。我们将分析热击穿的临界条件，以及它如何受到材料的热导率和电导率温度依赖性的影响。 第四部分：数值模拟与实验关联 在本书的最后一部分，我们将探讨如何利用数值模拟来研究复杂的无序系统，并将其与实验观测结果联系起来。鉴于许多无序系统的解析解难以获得，数值模拟成为理解其行为的强大工具。 我们将介绍常用的数值模拟技术，例如蒙特卡洛模拟、有限差分方法以及基于第一性原理的计算方法。我们将演示如何利用这些方法来构建无序材料模型，模拟载流子的输运过程，并计算宏观的电学响应，如电导率、伏安特性曲线等。 例如，我们可以通过生成随机的散射中心或缺陷分布来模拟无序导体，然后用这些模型来计算 Anderson 局域化长度或渗流阈值。在研究击穿现象时，我们可以模拟载流子的运动轨迹，考虑电场、温度以及载流子散射等因素，来重现实验观察到的击穿行为。 我们将详细讨论如何进行数值模拟的参数优化，以及如何设计模拟方案以捕捉特定的物理现象。更重要的是，我们将强调将数值模拟结果与实际实验数据进行对比的重要性。通过这种对比，我们可以验证模型的准确性，优化模型参数，甚至发现新的物理机制。 我们将举例说明，如何利用模拟来解释实验中观察到的金属-绝缘体相变，如何理解无序材料中的非线性电输运特征，以及如何预测新材料的击穿电压。本书将鼓励读者将理论分析、数值模拟和实验测量有机地结合起来，以更深入地理解无序固体材料的复杂性。 结论 《量子与半经典渗流及无序固体击穿》一书，通过系统地梳理和深入探讨量子效应和半经典近似在无序固体材料的渗流和击穿现象中的作用，旨在为研究人员提供一个全面的理论框架和研究方法。从基础的渗流理论，到复杂的量子输运现象，再到各种半经典击穿机制，本书力图涵盖无序材料研究中的关键问题。我们相信，通过对这些基本问题的深入理解，将有助于我们在设计和开发新型功能材料，解决现有材料的瓶颈问题，以及探索更多新颖的物理现象方面取得突破。本书的目标是激发读者对无序材料物理学的进一步探索，并为该领域的未来研究奠定坚实的基础。

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