碳纳米管的物理属性PHYSICAL PROPERTIES OF CARBON NANOTUBES pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Saito, R.

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:1998-12

价格:187.00元

装帧:Pap

isbn号码:9781860942235

丛书系列:

图书标签:

• 科研
• 碳纳米管
• 纳米材料
• 物理学
• 材料科学
• 材料属性
• 纳米技术
• 碳材料
• 凝聚态物理
• 电子结构
• 热学

《无界之维：探寻量子世界的几何边界》 引言：重塑认知的拓扑结构 在物质世界的深邃图景中，我们习惯于将万物视为由原子和分子构筑的经典集合体。然而，随着科学的边界不断被拓宽，一种超越传统形态学的结构——拓扑学——开始在凝聚态物理、高能物理乃至信息科学中扮演核心角色。本书并非聚焦于某一特定材料的微观力学或电学响应，而是将目光投向那些由数学原理决定的、具有内在稳定性的宏观现象。我们深入探讨的是，当体系的性质不再仅仅依赖于精确的长度和角度，而是取决于其连续变形下保持不变的“洞”的数量和连接方式时，世界会展现出何种全新的物理图景。 第一部分：拓扑学的几何语言与物理学的基础 本部分旨在为读者构建理解拓扑物理的必要数学框架，但这并非一本纯粹的数学教材，而是侧重于如何用拓扑概念来描述和预测物理现象。 第一章：从欧几里得到黎曼：几何的本质转变 我们从经典的欧几里得几何学（度量空间）出发，探讨当“距离”不再是唯一关键量时，物理描述如何发生根本性的变化。重点分析了同胚（Homeomorphism）和同伦（Homotopy）的概念，并将其转化为物理可观测的量。例如，一个甜甜圈（环面）和一个咖啡杯在拓扑学上是等价的，因为它们都拥有一个“洞”。这种不变性，正是拓扑绝缘体和拓扑半金属的“拓扑不变量”的根源。我们将详细阐述庞加莱多面体定理（Poincaré-Hopf theorem）在描述二维表面性质上的应用，尤其是在晶格结构中的周期性边界条件下的意义。 第二章：能带结构的拓扑不变量 在固体物理中，电子的能带结构描述了其能量状态在布里渊区中的分布。传统方法关注能带的宽度和位置，而本章则引入了贝里相位（Berry Phase）和陈数（Chern Number）的概念。陈数——一个整数——成为了区分能带拓扑性质的“指纹”。我们将详细推导二维系统（如量子霍尔效应体系）中，能带简并点周围的贝里曲率如何积分形成陈数，并解释为何这个整数在系统受到微小扰动（如杂质散射或形变）时保持不变，从而保证了边缘态的鲁棒性。 第二部分：拓扑相与新型物质形态 这一部分聚焦于拓扑学如何催生出与传统相（如固态、液态、气态）截然不同的物质相，这些相的特性由其拓扑结构而非对称性破缺来定义。 第三章：拓扑绝缘体：内敛的导体 拓扑绝缘体（TI）是物质科学领域革命性的发现之一。本章深入解析了这种材料的悖论：内部是绝缘体，但其表面或边缘却存在受保护的、无耗散的导电通道。我们主要围绕时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）展开讨论，分析其如何导致$mathbb{Z}_2$拓扑不变量的出现。重点阐述了“狄拉克锥”（Dirac Cone）在拓扑绝缘体表面态中的必要性，以及这种表面态如何与质量项的符号变化相关联。讨论将扩展到三维拓扑绝缘体中，特别是其螺旋简并点（Weyl points）的形成机制。 第四章：拓扑半金属：拓扑零点的交汇 如果说拓扑绝缘体是“边缘导电”，那么拓扑半金属则是“内部导电”但其费米面附近存在着拓扑保护的能带交汇点——例如狄拉克点或外尔点（Weyl Points）。本章详尽分析了外尔半金属的物理图像：在外尔点处，电子的自旋与动量紧密耦合，形成螺旋运动的轨迹。我们将探讨外尔点是如何成对出现的（电荷守恒要求它们在布里渊区中具有相反的手性），以及这种手性如何在宏观上表现为异常的电磁响应，例如纵向极化效应（Chiral Anomaly）。 第五章：拓扑超导体与马约拉纳费米子 拓扑概念延伸至配对体系，引出了拓扑超导体。这类材料的内部是超导的，但其边缘或涡旋核心中可能存在零能量的激发态——马约拉纳费米子（Majorana Fermions）。本章详细阐述了马约拉纳费米子作为“自身粒子与反粒子”的特性，以及它们在二维p波超导体中如何形成费米子对的“半身”。讨论将侧重于如何通过实验探测这些非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons）的特征，及其在容错量子计算中的巨大潜力。 第三部分：拓扑结构在动态系统中的应用 本部分超越了晶体材料的范畴，将拓扑学的思想应用于时间演化、非平衡系统以及人工结构中。 第六章：拓扑声子与光子晶体 拓扑原理并非局限于电子系统。我们将探讨如何通过设计具有特定几何结构的声学或光子晶格，来模拟电子系统的拓扑性质。在这些系统中，声波或光波的能带被拓扑保护。重点分析了拓扑声子晶体中的边缘模态如何抵抗缺陷和散射，以及拓扑光子环形谐振器中光流动的单向性，这是时间反演对称性被外部磁场模拟打破的体现。 第七章：拓扑缺陷与动态演化 在材料的相变过程中，拓扑缺陷（如位错、畴壁）的形成和运动是至关重要的。本章从拓扑角度重新审视金兹堡-朗道理论（Ginzburg-Landau theory），将缺陷视为拓扑荷密集的区域。分析了拓扑缺陷在非平衡动态过程中的演化规律，特别是它们如何驱动相变和控制畴的成型，例如在铁电材料或液晶中的行为。 结论：面向未来的拓扑工程 本书总结了拓扑物理学从纯粹的理论推导，到成为驱动下一代功能材料和量子信息技术的核心工具的历程。拓扑不变量的稳健性，为我们提供了一种构建超稳定器件的新范式，它意味着我们不再需要追求完美的晶体结构，而是需要精确地控制体系的拓扑结构。未来的挑战在于如何系统性地设计和合成具有所需拓扑荷的新物质，以及如何将这些非阿贝尔任意子转化为可操作的量子比特。 --- 本书面向读者： 物理学、材料科学、凝聚态物理、量子信息领域的高级本科生、研究生及研究人员。要求具备扎实的量子力学和固体物理基础。

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坦白说，我原本以为这会是一本枯燥的、充满复杂傅立叶变换和薛定谔方程的著作，毕竟主题是“物理属性”。然而，这本书的叙事方式却充满了叙事张力。它巧妙地将理论推导与突破性的实验结果穿插进行，读起来更像是一部波澜壮阔的科学史诗。作者似乎对历史脉络有着极强的掌控力，比如在讨论碳纳米管的导电性时，他没有直接给出结论，而是回顾了从早期合成方法的不成熟到后来精确控制单壁管手性（chirality）对导电类型（金属性或半导体性）的决定性影响，这种“回溯法”让人对科学发现的曲折过程有了更真切的体会。我特别欣赏其中对“拉曼光谱”在表征纳米管状态方面应用的详尽论述，不仅仅是给出峰值位置，而是深入剖析了不同振动模式的物理意义，这对于需要利用光谱学手段进行日常表征的工程师来说，简直是一本操作手册级别的参考书。书中的图表绘制质量极高，清晰、信息密度大，那些三维结构示意图和能带结构图，每一次审视都能带来新的领悟，而非仅仅是配图。

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我拿到这本大部头时，原本担心内容会过于“学院派”而脱离实际应用场景。然而，阅读过程却是一次美妙的“回归本源”之旅。作者的叙事风格非常具有启发性，他似乎在不断提醒我们，所有的工程壮举最终都必须服从于最基本的量子力学原理。书中对费米能级附近态密度的微小扰动如何能彻底改变纳米管的场效应晶体管性能的论述，生动地诠释了“魔鬼在细节中”的真谛。不同于一些强调快速迭代、追逐热点的材料学书籍，这本书沉淀着一种对基础物理规律的敬畏。它更像是一本“内功心法”秘籍，强调的是对材料本质的深刻理解，而不是昙花一现的技术。即便是那些自认为对碳纳米管已经相当了解的资深研究者，也很有可能在这本书中发现自己忽略已久的、更深层次的物理机制。这本书，无疑是碳纳米管研究领域一座坚实的里程碑。

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从一个偏重应用研究的角度来看，这本书的价值在于它构建了一个极为坚实的理论基础，来支撑后续的工程应用。很多市场上流行的材料手册往往停留在性能参数的罗列上，但《碳纳米管的物理属性》却深挖了这些参数背后的物理根源。例如，在谈到其惊人的拉伸强度时，作者并没有止步于“比钢强百倍”的口号，而是细致地分析了完美的sp2杂化键如何协同工作，以及在加载过程中应力是如何沿着管壁均匀分散的，同时，也毫不避讳地指出了纳米管在高应变率下可能发生的屈曲和断裂机制。这种对“极限”和“失效模式”的坦诚探讨，对于设计稳健、可靠的纳米复合材料至关重要。整本书的语言风格是严谨而精准的，几乎没有出现任何含糊不清的描述，每一个专业术语的使用都经过了深思熟虑，体现了作者在各自领域内近乎苛刻的专业素养。

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这本书的独特之处在于它对多物理场耦合效应的关注，这在很多专注于单一维度的专著中是罕见的。它不仅仅是物理属性的集合，更像是一部关于“交互作用”的百科全书。比如，在探讨热管理时，它没有孤立地讨论热导率，而是将电子输运和声子散射放在同一个框架下进行分析，解释了为什么在某些温度区间，电子对热传导的贡献会突然超越声子。此外，对磁性、压电效应与电子特性的交叉讨论也十分精彩，这为开发下一代智能传感和执行器件提供了理论支撑。我尤其欣赏作者在章节末尾设置的“开放性问题集”，这些问题并非简单的复述，而是直指当前研究的前沿和瓶颈，这无疑是对读者智力的一种邀请和激励，促使人跳出书本，去思考尚未解决的难题。这本书的排版和装帧设计也体现出极高的水准，阅读体验非常舒适，长时间阅读也不会感到视觉疲劳。

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这本关于碳纳米管物理特性的著作，初读之下便给人一种既深邃又务实的感觉。它并非那种堆砌概念的理论教科书，而更像是一位经验丰富的实验物理学家在与你促膝长谈他多年来对这种神奇材料的痴迷与洞察。作者的叙述节奏把握得恰到好处，从基础的晶格结构和电子态的描述开始，逐步深入到宏观尺度的力学性能、热学行为乃至光电效应。尤其令人印象深刻的是，书中对“本征缺陷”如何影响宏观性能的探讨，那种细致入微的分析，仿佛能让你亲手触摸到那些原子尺度的不完美，并理解它们如何在大尺度的应用中引发连锁反应。阅读过程中，我几次停下来，反复琢磨作者在解释某些量子隧穿效应时所采用的类比，那些类比并非廉价的简化，而是建立在对底层物理深刻理解之上的精妙比喻，极大地降低了理解复杂现象的门槛。可以预见，对于初涉纳米材料领域的研究生来说，这本书无疑是一份宝贵的路线图，它不仅告诉你“是什么”，更重要的是，它启发你去思考“为什么是这样”，并指明了未来可能的研究方向。

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