具体描述
Narrow gap semiconductors are the most important materials for the preparation of advanced modern infrared systems. They often operate at the extremes of the rules of semiconductor science. This book offers clear descriptions of crystal growth and the fundamental structure and properties of these unique materials. Topics covered include band structure, optical and transport properties, and lattice vibrations and spectra. A thorough treatment of the properties of low-dimensional systems and their relation to infrared applications is provided.
凝聚态物理学前沿：拓扑绝缘体与新型量子材料 书名： 凝聚态物理学前沿：拓扑绝缘体与新型量子材料 (Frontiers in Condensed Matter Physics: Topological Insulators and Novel Quantum Materials) 作者： 史密斯 (A. Smith), 王 (L. Wang), 德弗里斯 (J. DeVries) 出版社： 普林斯顿大学出版社 (Princeton University Press) 出版年份： 2024年 --- 内容简介 本书深入探讨了二十一世纪凝聚态物理学中最为激动人心的领域之一：拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）以及基于其独特电子结构和对称性保护的输运现象。在传统半导体和金属的范式之外，本书聚焦于一类具有内在拓扑性质的材料，它们在内部表现为绝缘体，但在其表面或边缘却承载着受拓扑保护的、无耗散的导电态。这种“拓扑性”不仅是对电子能带结构的深刻洞察，更预示着在低能耗电子器件、量子计算和基础物理学探索方面的巨大潜力。 全书共分为六个主要部分，系统地勾勒了从理论基础到实验实现的完整图景。 第一部分：拓扑序与基本概念的重塑 本部分首先回顾了经典固体物理学中对晶体对称性、能带理论以及经典绝缘体与导体概念的理解。在此基础上，本书引入了拓扑序（Topological Order）的核心概念，并详细阐述了如何利用拓扑不变量来表征和区分不同的物态。我们将重点讨论布洛赫能带理论中的贝里相位（Berry Phase）和贝里曲率（Berry Curvature），它们是理解拓扑相变的关键数学工具。此外，书中还深入解析了时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）在维持拓扑保护中的关键作用，并介绍了K-理论在分类拓扑绝缘体中的应用框架。 第二部分：二维拓扑绝缘体：狄拉克费米子的舞台 第二部分聚焦于最先被理论预言和实验证实的二维拓扑绝缘体，特别是量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect, QSHE）材料。我们将详尽介绍如何通过强自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）在二维材料中打开拓扑能隙，并讨论基于二维材料（如HgTe/CdTe异质结）的实验观测，包括边缘态的电子输运测量。书中详细推导了二维拓扑绝缘体边界的有效哈密顿量——狄拉克方程的变体，解释了为什么这些边界态对非磁性杂质散射具有鲁棒性。 第三部分：三维拓扑绝缘体：表面的强光 本书投入大量篇幅阐述三维拓扑绝缘体（3D TIs），如$ ext{Bi}_2 ext{Se}_3$家族。我们将详细分析三维拓扑绝缘体内部的能带结构，重点阐述其表面态的独特性质：它们是狄拉克锥（Dirac Cones）的形式，且其螺旋性（Helicity）与自旋是锁定（Spin-Momentum Locking）的。通过角分辨光电子能谱（ARPES）实验数据，我们展示了如何直接“看到”这些拓扑保护的表面态，并探讨了拓扑表面态与体态（Bulk State）的耦合效应及其对输运性能的影响。 第四部分：拓扑材料的拓展与新型物态 本部分将视角扩展到更广阔的拓扑材料世界，超越了经典的时间反演对称保护的绝缘体。 拓扑型导体 (Topological Crystalline Insulators, TCIs): 探讨了依赖于晶体空间群对称性的拓扑保护，以及如何通过晶格失真来调控拓扑性质。 高阶拓扑绝缘体 (Higher-Order TIs, HOTIs): 介绍了零维、一维边缘或二维面的拓扑保护，例如角（Corner）态和弦（Hinge）态，这代表了拓扑分类的重大进展。 Weyl 半金属与 Dirac 半金属: 虽然它们是导体，但其内部能带结构中包含的拓扑非平凡的费米弧和手性异常（Chiral Anomaly）与拓扑绝缘体理论紧密相关。本书详细分析了这些费米子奇点（Weyl/Dirac Nodes）的形成机制及其在外电场下的响应。 第五部分：拓扑材料的制备与输运特性研究 这一部分从实验角度深入材料科学与工程。书中介绍了制备高质量拓扑材料薄膜的技术，包括分子束外延（MBE）和原子层沉积（ALD），并讨论了掺杂对拓扑相变的影响。在输运测量方面，我们将重点讨论以下关键实验技术： 量子霍尔效应 (Quantum Hall Effect) 与量子自旋霍尔效应的探测： 如何在低温和强磁场下精确分离体输运和边界输运。 非互易输运 (Non-reciprocal Transport): 讨论如何通过引入磁性（如磁性掺杂或磁性衬底）来打破时间反演对称性，从而引发拓扑磁性材料，如磁性拓扑绝缘体，以及随之而来的量子反常霍尔效应（QAHE）。 第六部分：面向应用的未来：拓扑量子技术 最后一部分展望了拓扑物理在下一代技术中的应用前景。重点讨论了如何利用拓扑材料的鲁棒性来构建容错量子计算的基本单元。特别是，本书深入探讨了马约拉纳费米子（Majorana Fermions）的理论模型，以及如何通过将拓扑绝缘体与超导体耦合来诱导出无电荷的马约拉纳零能模。书中还探讨了拓扑材料在低功耗器件、自旋电子学以及高灵敏度传感器中的潜在应用。 本书特色： 本书旨在为研究生和高级研究人员提供一个全面且具有挑战性的知识体系。它不仅涵盖了基础理论，还紧密结合了最新的实验进展和前沿研究方向，是理解凝聚态物理学中拓扑电子学领域不可或缺的参考书。书中穿插了大量严谨的数学推导和清晰的物理图像，力求在深度和广度上达到平衡。
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