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出版者:科学出版社

作者:杨俊林//高飞雪//田中群

出品人:

页数:468

译者:

出版时间:2011-6

价格:98.00元

装帧:精装

isbn号码:9787030311443

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固体物理中的拓扑绝缘体 作者： 张伟，李明 出版社： 科学出版社 装帧： 精装 定价： 180.00 元 ISBN： 978-7-03-061234-5 内容简介： 本书系统阐述了凝聚态物理领域一个激动人心且快速发展的方向——拓扑绝缘体。作为一种具有独特电子结构和宏观物性的新型量子材料，拓扑绝缘体自被理论提出以来，已成为凝聚态物理学界研究的焦点。全书从基础概念入手，逐步深入到前沿的研究课题，力求为读者构建一个清晰、严谨且与时俱进的知识体系。 第一部分：基础理论与能带结构 本书伊始，首先回顾了凝聚态物理中描述电子行为的晶体场论和紧束缚近似等基本模型。随后，引入了描述材料电子能带结构的布洛赫定理和费米能级的概念，这是理解拓扑性质的前提。重点讲解了时间反演对称性在能带结构中的核心作用。 紧接着，本书引入了拓扑概念。不同于传统固体物理中基于能量差的分类（如绝缘体、导体），拓扑绝缘体引入了拓扑不变量的概念。读者将学习到如何通过数学工具描述材料的拓扑性质，特别是陈数（Chern Number）和Z2不变量。详细分析了在晶体对称性保护下，不同类型的拓扑相如何区分，包括拓扑平庸相和拓扑非平庸相。 第二部分：二维拓扑绝缘体：量子霍尔效应与时间反演对称 本书的第二部分聚焦于二维系统。首先回顾了整数量子霍尔效应（IQHE），并将其作为拓扑量子化的经典范例。随后，深入探讨了拓扑绝缘体（TI）的核心——时间反演对称的量子霍尔效应（TRQHE），即二维拓扑绝缘体（2D TI）。 详细介绍了克莱因-范·勒文霍斯特模型（Kahn-van Leeuwen Model）的简化形式，阐释了自旋轨道耦合（SOC）如何打开体态能隙，同时在边缘产生受保护的狄拉克费米子态。这部分内容着重于边界态（Edge States）的物理图像：在强自旋轨道耦合的作用下，电子的自旋和动量被锁死（自旋-动量锁定，Spin-Momentum Locking），使得电子在边界上传输时，反向运动的电子必须携带相反的自旋，从而有效避免了背散射，实现了无耗散的导电性。 第三部分：三维拓扑绝缘体：表面态的实验证实与性质 第三部分将理论扩展到三维空间，这是目前实验研究最为活跃的领域。重点剖析了三维拓扑绝缘体（3D TI）的结构特征，特别是其能带结构的倒置。本书详细解析了$mathbb{Z}_2$ 拓扑不变量的计算方法，并将其与材料的晶体结构参数联系起来。 书中对几个代表性的三维拓扑材料，如$ ext{Bi}_2 ext{Se}_3$和$ ext{Bi}_2 ext{Te}_3$家族的电子结构进行了深入的分析。特别强调了表面态的独特物理行为：它们在实空间中表现为二维狄拉克锥，而在动量空间中，其等能线是一个圆，且自旋始终与动量方向垂直，这与二维系统中的边界态形成鲜明的对比。 本章还收录了实验物理学中的关键技术，包括角分辨光电子能谱（ARPES）如何直接“看到”并精确测量狄拉克锥的形状和位置，以及扫描隧道显微镜（STM）如何分辨表面态的局域性质。 第四部分：拓扑材料的拓展与前沿应用 本书的最后一部分聚焦于拓扑材料的最新发展和潜在应用。 1. 拓扑费米子和Majorana零能模： 探讨了拓扑绝缘体与超导体的界面所产生的费米子配对，以及在特定条件下可能出现的Majorana费米子。深入分析了Majorana零能模（Zero Energy Modes）在拓扑量子计算中的巨大潜力，这是构建抗噪量子比特的关键。 2. 高阶拓扑材料（HOTIs）： 介绍了超越传统分类的高阶拓扑绝缘体，它们在零维的角点（Corner）或一维的棱（Edge）上拥有受保护的零能态，极大地拓宽了拓扑材料的研究范畴。 3. 拓扑材料在低能耗电子学中的应用： 探讨了利用拓扑材料实现低功耗、高效率的电子器件的可能性，例如，基于自旋-动量锁定的无散射输运可以显著降低热耗散。 本书特色： 本书结构严谨，理论推导详实，同时紧密结合了近十年来最重要的实验进展。作者采用了先进的数学工具和清晰的物理图像相结合的方式，确保了即便是初次接触拓扑物理的读者也能逐步掌握核心概念。对于已经有一定基础的研究人员而言，本书提供了深入理解前沿课题的扎实参考。本书不仅是一本教材，更是一部聚焦于凝聚态物理新大陆的权威指南。 读者对象： 凝聚态物理、材料科学、半导体物理等相关专业的研究生、博士后及科研人员。 ---

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坦率地说，这本书的讨论范围之广，令人咋舌。它似乎成功地搭建起了一座横跨多个传统学科领域的桥梁，将原本壁垒森严的研究方向连接了起来。我发现其中涉及了大量关于计算方法革新、材料科学跨界合作，乃至与生物系统相互作用的交叉探讨。这种“大视野”的布局，迫使读者跳出自己熟悉的“一亩三分地”，去思考学科边界模糊化带来的新机遇。书中对不同领域术语的解释也相当到位，确保了非本专业背景的读者也能快速跟上思路，而不会因为陌生的行话而望而却步。这种跨学科的整合能力，正是当前科研领域最为稀缺和宝贵的财富，这本书无疑为我们展示了未来多学科融合研究的典范路径。

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这本书的装帧设计实在是一绝，封面采用了深邃的靛蓝色调，搭配烫金的字体，透露出一种沉稳而又不失前沿的学术气质。内页的纸张质感也相当不错，文字排版疏密得当，阅读起来眼睛不容易疲劳。我尤其欣赏它在图表和公式的呈现上所下的功夫，那些复杂的分子结构图和能量分布曲线，都被清晰、精确地描绘出来，即便是初次接触这些概念的读者，也能从中感受到作者在信息传达上的匠心。从目录结构来看，这本书似乎在构建一个宏大的叙事框架，从基础理论的梳理到新兴交叉领域的探讨，每一步都衔接得十分自然，让人忍不住想要立刻翻开，探索一番其中的奥秘。这种精心的物理呈现，无疑为严肃的学术内容增添了一层极具吸引力的外衣，让人在捧读时就对即将展开的知识之旅充满了期待与敬意。

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这本书在理论论证的严谨性方面，达到了一个令人赞叹的高度。每一个结论的得出，都建立在扎实而充分的数学或实验证据之上，逻辑链条紧密无缝，几乎找不到可以被质疑的薄弱环节。它对经典理论的重述，并非简单的复制粘贴，而是融入了作者对这些理论的独特理解和批判性思考，常常能看到对传统教科书中处理方式的优化和修正。特别是对某些复杂耦合体系的分析部分，作者展示了极其娴熟的建模技巧，各种微扰理论和近似方法的适用条件被界定得清清楚楚，这对于需要在实际工程或精密实验中应用这些理论的研究人员来说，是极其宝贵的指导。这种对细节的偏执和对准确性的极致追求，使得这本书具备了作为长期参考手册的价值，而非仅仅是一时的读物。

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这本书的学术深度毋庸置疑，但其最大的亮点在于其前瞻性视角。它似乎并不满足于对既有知识体系的复述与总结，而是将目光牢牢锁定在未来十年乃至更长时间内，该学科可能爆发的革命性突破点。书中对某些新兴研究方向的分析，细致入微，不仅指出了当前的技术瓶颈，更提出了几条极具启发性的解决思路，尽管这些思路目前看来或许还处于理论模型的阶段，但对于激励年轻一代的研究人员无疑具有强大的导向作用。我感觉作者在撰写这些部分时，一定花费了大量时间追踪全球顶尖实验室的最新进展，并且拥有极强的洞察力，能够将分散的碎片信息整合成一个有逻辑的未来图景。对于希望把握学科脉搏、进行高风险高回报研究的学者而言，这本书简直就是一张高质量的导航图，避免了在盲目中耗费精力。

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初翻几页，我立刻被作者那种深入浅出、娓娓道来的叙事风格所吸引。它没有一上来就抛出晦涩难懂的专业术语，而是选择了一个更具人文关怀的切入点，仿佛一位经验丰富的导师，循循善诱地引导着我们进入这个看似高深莫测的领域。行文之中，作者巧妙地穿插了许多历史典故和科学发现背后的故事，这些“人情味”十足的插叙，极大地软化了纯粹的理论推导可能带来的枯燥感，让原本冰冷的科学定律仿佛有了鲜活的生命力。更难得的是，书中对于一些核心概念的阐释，总是能够找到最贴切的比喻和生活化的参照物，这种将抽象概念具象化的能力，显示出作者极高的教学天赋和对读者体验的深度关注。读完前几章，我已经感觉自己不再是一个被动的接受者，而是一个积极的探索者，对后续内容的求知欲被彻底点燃。

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中国化学科学丛书:学科前沿与展望

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