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出版者:

作者:沙裏

出品人:

頁數:651

译者:

出版時間:2010-4

價格:75.00元

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isbn號碼:9787510005770

叢書系列:

圖書標籤:

• 數學
• 物理
• 2011
• 量子群
• 代數
• 數學
• 物理
• 量子力學
• 錶示論
• 李代數
• 拓撲
• Hopf代數
• 入門教材

《拓撲凝聚態物理導論》 本書聚焦於凝聚態物理領域一個快速發展且極具前沿性的分支——拓撲物質態。 本書旨在為物理學、材料科學及相關交叉學科的研究生和高年級本科生提供一套係統、深入且兼具直觀理解的教材。我們將超越傳統能帶理論的框架，深入探索物質在拓撲性質上的新穎行為，以及這些性質如何催生齣宏觀世界中前所未有的量子現象。 全書結構緊湊，內容循序漸進，共分十五章，力求在理論深度與物理圖像之間取得最佳平衡。 第一部分：基礎概念與數學工具（第1章至第4章） 本部分為後續復雜討論打下堅實的理論基礎，重點迴顧和引入必要的數學和物理概念。 第1章：凝聚態物理的再審視與新視角 本章從晶體結構、晶格振動（聲子）和電子的布洛赫理論齣發，快速迴顧經典凝聚態物理的核心概念。隨後，引齣係統對稱性在描述物質性質中的核心地位，並引入規範場理論的基本思想，為理解拓撲不變量的生成機製做鋪墊。著重討論如何利用群論來分類能帶結構，特彆是對時間反演對稱性和晶體動量空間的深入分析。 第2章：基礎拓撲學迴顧與物理應用 本章是對現代拓撲學（特彆是代數拓撲）中與物理學直接相關的概念的係統梳理。重點介紹同調群和同倫群的基本概念，如基本群 $pi_1$ 和更高階的同倫群。隨後，將抽象的拓撲概念與物理可觀測量的聯係起來，例如利用Winding Number（纏繞數）來描述簡單的二維係統中的電子局域化。本章強調拓撲不變量的魯棒性——即它們對微小形變的不敏感性。 第3章：格林函數與有效理論 在處理復雜的相互作用係統之前，需要強大的數學工具。本章詳細介紹格林函數（關聯函數）在凝聚態物理中的應用，包括單粒子和多粒子情況。重點講解如何利用路徑積分形式構建有效低能理論，特彆是Hubbard-Stratonovich 變換和平均場近似在非平庸拓撲係統中的應用，為理解拓撲相的穩定機製奠定基礎。 第4章：晶體動量空間中的拓撲不變量 這是連接對稱性與拓撲的核心章節。係統介紹Chern 數（陳數）的數學定義及其物理意義，例如在量子霍爾效應中的直接體現。詳細討論如何利用Berry 幾何相位（貝裏相）來計算陳數，包括 Berry 麯率的定義及其在布裏淵區上的積分。此外，還將討論 $mathbb{Z}_2$ 不變量（$mathbb{Z}_2$ 拓撲不變量）的初步概念，為後續的絕緣體討論做準備。 第二部分：拓撲絕緣體與半金屬（第5章至第9章） 本部分專注於無相互作用或弱相互作用體係中，拓撲性質如何重構傳統的絕緣體和金屬概念。 第5章：二維拓撲絕緣體：量子霍爾效應的精確描述 本章深入解析整數量子霍爾效應（IQHE）的微觀理論。詳細推導TKNN 模型的哈密頓量，並嚴格證明陳數與邊緣態的嚴格關係（邊緣-體對應原理的最初體現）。討論實驗中觀測到的量子霍爾平颱和精確的電導率量子化。 第6章：拓撲絕緣體的突破：$mathbb{Z}_2$ 理論 重點介紹時間反演對稱的拓撲絕緣體（TR-invariant Topological Insulators）。詳細闡述如何引入Kramers 簡並來保護拓撲性。利用Fu-Kane 理論，係統推導二維 $mathbb{Z}_2$ 拓撲不變量的計算方法，並解釋拓撲相變是如何發生的。 第7章：三維拓撲絕緣體與錶麵態 將 $mathbb{Z}_2$ 拓撲不變量推廣到三維係統。詳細分析狄拉剋點在三維布裏淵區中的分布。著重討論三維拓撲絕緣體的標誌性特徵——受時間反演保護的拓撲錶麵態，包括其綫性色散關係和自鏇-動量鎖定（Spin-Momentum Locking）的特性，及其在電子自鏇輸運中的潛在應用。 第8章：拓撲半金屬：狄拉剋與外爾費米子 本章探討拓撲保護的簡並點，即拓撲半金屬。詳細分析狄拉剋半金屬中四重簡並點的形成機製，以及它們如何通過微小擾動（如對稱性破缺）演化為外爾半金屬（Weyl Semimetals）。側重於外爾點（Weyl Points）作為單極磁荷的拓撲性質，以及由此引發的縱嚮磁電阻效應。 第9章：拓撲晶格模型與有效哈密頓量 本章側重於構建具有特定拓撲性質的晶格模型，如Kitaev 模型（用於理解自鏇液體）和各種高維模型。討論如何通過模型參數的連續變化實現拓撲相變，並引入Jordan-Wigner 變換等工具將自鏇係統映射到費米子係統，以更好地理解其拓撲屬性。 第三部分：拓撲超導與手性現象（第10章至第12章） 本部分將物理焦點轉嚮費米子配對係統，探討拓撲保護的超導態及其激發態。 第10章：拓撲超導體的分類與基本性質 介紹巴丁-庫珀對（BCS）理論的拓撲推廣。根據對稱性保護，詳細介紹基於Altland-Zirnbauer 分類（Altland-Zirnbauer classification）的拓撲超導體的分類方案（A, AIII, BDI 等）。重點闡述p波超導體（如Kitaev鏈）作為最簡單的拓撲超導體的性質。 第11章：馬約拉納費米子與邊緣零能模 本章深入探討拓撲超導體的核心激發態——馬約拉納費米子（Majorana Fermions）。解釋馬約拉納費米子作為自身反粒子的特性。分析在一維 p 波超導體（Kitaev 鏈）的兩端如何齣現受保護的零能模式，以及在二維拓撲超導體錶麵和渦鏇核心中馬約拉納模的齣現。討論這些模的非阿貝爾（Non-Abelian）統計特性。 第12章：磁性拓撲絕緣體與量子反常霍爾效應 本章探討引入磁性如何破開車爾對稱性，從而在無外磁場下實現量子反常霍爾效應（QAHE）。詳細分析磁性對 Chern 數的影響，以及磁化如何驅動係統從普通絕緣體進入拓撲相。討論磁性拓撲絕緣體的實驗實現與挑戰。 第四部分：拓撲相互作用係統與前沿（第13章至第15章） 本部分將討論當前研究中最具挑戰性的領域：相互作用對拓撲性質的深刻影響。 第13章：分數量子霍爾效應與拓撲序 本章介紹比整數霍爾效應更復雜的分數量子霍爾效應（FQHE）。引入拓撲序（Topological Order）的概念，解釋它如何超越傳統對稱性破缺理論。通過Laughlin 波函數的例子，闡釋分數量子霍爾態中的激發態攜帶分數電荷和非阿貝爾統計。 第14章：張量網絡與數字化拓撲序 介紹現代數值模擬工具——張量網絡態（Tensor Networks），特彆是Matrix Product States (MPS)。解釋 MPS 如何自然地編碼一維拓撲序的性質。重點介紹MERA（Multi-scale Entanglement Renormalization Ansatz）在描述長程糾纏和識彆高維拓撲相中的作用。 第15章：拓撲光子學與模擬 將拓撲概念從電子係統擴展到光子係統。討論如何通過設計具有特定幾何結構或周期性的介質來模擬拓撲絕緣體和拓撲聲子晶體。重點分析光子係統中的拓撲邊界態，以及它們在光單嚮傳輸和抗散射損耗方麵的應用潛力。 本書特點： 強調物理圖像： 盡管涉及高深的數學工具，但每一步推導都緊密聯係到可觀測的物理現象。 綜閤性強： 覆蓋瞭自鏇電子學、超導、量子計算前沿等多個領域的基礎理論。 麵嚮前沿： 對非阿貝爾統計、張量網絡等最新研究方法給予充分的介紹。 本書適閤作為深入研究凝聚態物理、量子信息科學或固體物理方嚮的必備參考書。

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我對作者在例題設計上的選擇深錶失望。一本好的教材，例題理應是連接理論與實踐的紐帶，是檢驗理解程度的試金石。然而，這本書中的例題，要麼是過於簡單和重復，幾乎隻是對定義和定理的機械性復述，起不到任何拓展思維的作用；要麼就是難度驟升，直接搬用瞭某些極其專業化、甚至有些偏門的結構作為例子，這些例子本身就包含瞭大量我需要額外去查閱的背景知識，反而成瞭新的障礙。我需要的是那種既能鞏固基礎，又能引導我思考的“黃金平衡點”的例題，但這本書提供的卻是兩個極端。這使得我在練習時，要麼感覺浪費時間，要麼感覺完全無從下手，缺乏一個漸進式的練習階梯。最終的結果是，我的解題實踐部分幾乎是停滯不前的，理論的學習也因為缺少及時的反饋和應用場景的展示，而變得空洞和飄忽不定，如同空中樓閣，搖搖欲墜。

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這本書的排版和印刷質量，坦白說，比我預想的要差強人意。裝幀設計得非常樸素，封麵那種暗沉的藍色調，配上這種略顯粗糙的紙張，拿在手裏感覺不到任何“高科技”的重量感。內頁的字體大小倒是適中，但行距實在太緊湊瞭，長時間閱讀下來眼睛非常容易疲勞，我不得不在每讀十幾頁後就得停下來，揉揉眼睛，眺望遠方。更讓我感到睏惑的是，書中插圖的數量少得可憐，而且那些僅有的圖錶，畫得極其簡化，幾乎看不齣它們到底想錶達什麼復雜的物理結構。對於一個需要直觀感受抽象概念的初學者來說，這種視覺上的貧瘠感是緻命的打擊。我本指望能有一些精美的示意圖來輔助理解那些抽象的代數結構，結果得到的隻是一些乾巴巴的符號堆砌。這感覺就像是在一個簡陋的教室裏聽一堂滿是術語的講座，沒有視覺輔助，思維的繮繩很快就鬆脫瞭，讓人很難集中精力去捕捉那些稍縱即逝的靈感火花。

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這本書在章節之間的邏輯銜接上，存在著明顯的斷裂感。前一章還在討論有限群的分類問題，突然間，下一章的切入點就變成瞭非交換代數中的某些特定結構，兩者之間的橋梁似乎隻靠一個“後麵我們會用到”的模糊錶述來連接。這種跳躍式的敘事，讓閱讀體驗變得非常破碎。我感覺自己像是在一個巨大的圖書館裏，被強行要求在毫無關聯的書架間快速穿梭，試圖在這些零散的知識點中自己拼湊齣一個完整的邏輯體係。作者似乎過度依賴讀者自身的聯想能力和歸納能力，他沒有花時間去耐心地梳理和解釋這些不同分支是如何相互支撐、共同構成一個宏大理論框架的。這種寫作方式，對於那些習慣於綫性、循序漸進學習方法的讀者來說，無疑是一種巨大的挑戰，它極大地增加瞭理解的難度和時間成本，讓人産生強烈的迷失感。

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我對於作者在介紹“群”的基本操作部分的處理方式感到非常不解。他似乎跳過瞭一些至關重要的鋪墊，直接就進入瞭高階的群作用和同態的概念。這就好比教人騎自行車，不先講怎麼保持平衡和踩踏闆，直接就讓他去參加環法自行車賽一樣荒謬。很多基礎的定義，比如元素、子群的判定準則，他隻是蜻蜓點水般地提瞭一句，然後就迅速將重點轉移到瞭更復雜、更具有應用價值的理論上。我的感受是，他把“入門”的含義理解成瞭“快速進入核心”，而不是“穩步搭建基礎”。我不得不在閱讀這本書的同時，翻閱瞭其他幾本更基礎的代數教材來填補這些巨大的知識漏洞。如果這本書的目標讀者是那些已經對抽象代數有一定背景的本科生，那可能還算勉強閤格，但對於一個真正意義上的“門外漢”來說，這本書更像是一堵高聳的圍牆，而不是一扇敞開的大門。它沒有展現給我們這些初學者一個可攀登的斜坡，而是直接把我們扔到瞭懸崖邊上。

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這本書簡直是我的“黑洞”讀物！我本以為能從中學到點什麼，結果讀完後隻感覺自己被捲入瞭一個無底洞。書中的數學推導部分，簡直就是一場精神上的“死亡馬拉鬆”。那些希臘字母和復雜的公式像一群嗜血的狼，把我圍得水泄不通。我試著跟著作者的思路走，但每當我覺得快要抓住那個核心概念時，作者又立刻拋齣一個更深奧的定理，把我狠狠地摔迴起點。更糟糕的是，作者似乎對“通俗易懂”這個詞懷有深深的偏見，他的語言風格充滿瞭學究式的傲慢，仿佛在對讀者說：“你不懂？那是你智商不夠。”我花瞭好大力氣纔把前幾章啃完，但我的大腦皮層已經開始發齣“過載”的警報瞭。我懷疑作者是不是根本就沒想讓普通人讀懂這本書，他可能隻是想把自己的學術筆記整理成冊，順便看看誰能堅持到最後。這本書與其說是入門指南，不如說是一份高智商的篩選器，把我這種對基礎知識還抱有一絲幻想的讀者，無情地剔除瞭齣去。我甚至開始懷疑自己是不是真的適閤走這條路。

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