Theoretical Femtosecond Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Grossmann, F.

出品人:

页数:216

译者:

出版时间:

价格:$ 190.97

装帧:

isbn号码:9783540778967

丛书系列:

图书标签:

• 超快物理
• 飞秒物理
• 非线性光学
• 量子光学
• 激光物理
• 原子物理
• 分子物理
• 光谱学
• 理论物理
• 光物质相互作用

《凝聚态物质的非线性动力学》 绪论：探寻物质在超快尺度下的涌现行为 本书深入探讨了凝聚态物质系统在极短时间尺度——飞秒量级——上所展现出的复杂非线性动力学特性。在经典物理的框架下，我们通常将物质视为一个相对稳定的宏观实体，其演化遵循可预测的规律。然而，当时间尺度缩短至原子振动或电子跃迁的特征时间时，传统的描述方法便力不从心。电子、晶格振动（声子）、磁矩等基本激发态之间的相互作用变得尤为显著，导致系统表现出高度非线性和不可逆转的动态过程。 本书的宗旨是为高年级本科生、研究生以及从事凝聚态物理、材料科学和超快光学研究的科研人员提供一个全面且深入的理论和实验视角，以理解并调控这些在强场驱动下产生的瞬态量子现象。我们将超越平衡态的限制，聚焦于激发态的产生、演化、弛豫以及最终达到新的稳态（或非稳态）的物理机制。 --- 第一部分：理论基础与模型构建 本部分奠定了理解飞秒尺度非线性动力学所需的数学和物理框架。我们首先回顾了量子力学中时间演化算符的性质，并将其扩展到包含强激光场或其它外部扰动的情况。 第一章：非平衡态量子动力学导论 本章首先界定了“非平衡态”在凝聚态物理中的具体含义，特别是针对电子-声子耦合系统。我们重点讨论了描述系统演化的核心方程——玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）及其在高密度激发下的局限性。随后，引入了密度矩阵理论作为处理开放量子系统的有力工具。我们将详细阐述如何利用约化密度矩阵（Reduced Density Matrix）来描述系统与环境（热浴）的耦合，并推导在特定近似下（如弱耦合极限）的弛豫时间尺度。对于强耦合系统，本书引入了量子朗之万方程（Quantum Langevin Equation）的框架，用于量化随机涨落对动力学的影响。 第二章：电子-声子相互作用的微观模型 电子-声子耦合是凝聚态系统中最核心的非线性源之一。本章聚焦于建立适用于超快泵浦实验的详细微观模型。我们从哈密顿量的构建入手，包含电子的布洛赫哈密顿量、声子的简谐近似以及最重要的电子-声子耦合项（通常采用形变势理论或电子-声子耦合矩阵）。 随后，我们将探讨在强电子激发下，声子谱如何发生非线性重构。重点分析了载流子引起的晶格软化（Carrier-Induced Lattice Softening）现象，这通常通过引入非谐声子项来描述。本章将详细推导并分析电子温度 ($T_e$) 和声子温度 ($T_{ph}$) 的分离现象，这是描述超快非平衡态的经典标志。我们还将涉及耦合常数在不同晶体结构（如III-V族半导体与过渡金属氧化物）中的差异及其对能量转移速率的决定性影响。 第三章：非线性光学响应与高阶微扰理论 本章将理论基础与宏观测量手段——非线性光谱学——联系起来。我们采用含时微扰理论（Time-Dependent Perturbation Theory）来描述系统对外部电磁场（如飞秒激光脉冲）的响应。重点分析二阶和三阶极化率 ($chi^{(2)}, chi^{(3)}$) 的张量形式及其在不同晶体对称性下的约束。 理论上，我们利用双时格林函数（Two-Time Green's Functions）方法，在非平衡态下计算系统的响应函数。这允许我们解析地处理诸如四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）、瞬态吸收光谱（Transient Absorption Spectroscopy, TAS）等实验信号的精确表达式。本章特别强调了相干动力学（Coherent Dynamics）的建模，例如如何区分由相干振荡与弛豫过程对光谱信号的贡献。 --- 第二部分：特定材料体系的动力学现象 在理论框架的指导下，本部分深入研究了在飞秒尺度下表现出显著非线性行为的关键材料体系。 第四章：半导体异质结中的载流子动力学 在半导体及其多量子阱（MQW）结构中，载流子的输运和复合过程受到界面、维度限制和电场调控的深刻影响。本章关注电子-空穴对在飞秒尺度上的分离、隧穿和介导的非平衡态。 我们将分析载流子扩散方程（Carrier Diffusion Equation）在二维（2D）和一维（1D）系统中的修正形式，特别关注界面电子-声子耦合对能量转移速率的影响。此外，我们将详细讨论激子动力学。在强激发下，激子的密度和相互作用会引发激子雪崩（Excitonic Snowballing）和激子-载流子散射的非线性效应，导致激子态快速解耦或重组。 第五章：过渡金属氧化物中的莫特绝缘体与电荷密度波 过渡金属氧化物（TMOs）因其强烈的电子关联效应，是研究非线性动力学的理想平台。本章聚焦于莫特绝缘体（Mott Insulators）在超快激发下的绝缘体-金属转变（MIT）。 我们采用Hubbard 模型的近似求解方法，如平均场理论和动态平均场理论（DMFT）的含时扩展，来描述电子涨落和晶格几何结构之间的耦合。关键的非线性过程包括：在极短时间内，激发能量如何促使电子从局域态跃迁至导带，以及这种电子激发如何引发结构相变（例如，Jahn-Teller畸变）。我们还将分析电荷密度波（CDW）系统，研究泵浦诱导的非线性振荡模式，这些振荡通常与特定的声子模耦合，并在飞秒域内可被观测到。 第六章：磁性材料中的自旋动力学与反常态 磁性系统的演化由朗道-李夫希茨-布洛赫（LLG）方程描述，但在超快尺度下，这一方程需要被量子化并耦合到电子和晶格自由度。本章讨论光激发铁磁体中自旋能带结构的瞬态变化。 核心内容包括：光激发对磁各向异性的影响。我们将深入分析电子系统通过逆自旋·霍尔效应（Inverse Spin Hall Effect）或自旋超交换（Superexchange）机制如何将能量迅速转移至磁矩，从而导致磁矩停振（Demagnetization）。讨论的非线性机制包括电子-自旋散射的增强、磁子（Magnons）的非线性相互作用（如三自旋相互作用）以及在具有反铁磁序的材料中，如何通过特定的拉曼过程诱导出瞬时的铁磁序。 --- 第三部分：实验技术与数据分析前沿 本部分将理论模型与最前沿的飞秒实验技术相结合，侧重于如何从复杂数据中提取物理图像。 第七章：飞秒光谱学技术精要 本章详细介绍了用于探测飞秒动力学的关键实验工具，重点在于其背后的物理原理和限制。 瞬态吸收光谱（TAS）：分析其在识别激发态寿命和能级填充方面的作用。二维电子光谱（2DES）：详细阐述其在分离不同量子相干过程（如能量转移与相干振荡）方面的优势，并讨论如何从其“排钟”（Peak Shifting）和“交叉峰”（Cross Peaks）中提取系统哈密顿量的参数。此外，还将介绍非线性布里渊散射（NLBS）和超快拉曼散射在探测瞬态声子模式和非线性晶格响应中的应用。 第八章：数据反演与模型检验 在处理高维、高信噪比的非线性光谱数据时，反演模型至关重要。本章讨论了如何利用基于物理的拟合（Physics-Informed Fitting）方法来检验理论模型。 我们将介绍全局优化算法在拟合TAS或FWM数据中的应用，强调在拟合过程中保持物理一致性的重要性。特别是，如何利用时间反演对称性、能量守恒等约束条件来限制模型参数空间。本章还将讨论降阶建模（Model Reduction）技术，例如如何将全量子态演化简化为少数几个关键模式（如关键电子温度和声子模式）的耦合系统，以实现高效且具有物理意义的模拟。 --- 结论与展望 本书最后总结了当前超快凝聚态物理领域面临的重大挑战，包括对强关联系统中量子涨落的精确描述，以及拓扑材料在超快激发下的动态拓扑转变。展望未来，本书强调了将机器学习（ML）方法融入复杂动力学模型构建和参数提取中的潜力，以期加速对这些瞬态物理现象的理解与操控。 《凝聚态物质的非线性动力学》旨在提供一个坚实的理论基础，使读者能够独立设计实验，解释复杂的飞秒动态数据，并在瞬态材料科学的前沿领域做出贡献。

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