Physics Of Spin In Solids pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Kluwer Academic Pub

作者:NATO Advanced Research Workshop (COR)/ Halilov, Samed

出品人:

页数:264

译者:

出版时间:

价格:138

装帧:HRD

isbn号码:9781402022258

丛书系列:

图书标签:

• 固体物理
• 自旋物理
• 磁性材料
• 量子力学
• 电子自旋
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 拓扑绝缘体
• 自旋输运
• 自旋电子学

凝聚态物理中的电子结构与磁性：从晶体场理论到强关联系统 一、 导论：固体中的电子与宏观性质的桥梁 本书旨在深入探讨凝聚态物理领域中，特别是固体材料内部电子的运动规律及其宏观性质的起源。我们将聚焦于电子在周期性晶格环境下的行为，解析如何从微观的量子力学原理出发，构建起对材料电学、磁学和光学特性的全面理解。重点将放在电子的能带结构、费米面附近的动力学以及电子间的相互作用如何塑造材料的整体功能。 第二部分：周期性势场中的电子运动——能带理论的基石 本部分将系统性地回顾和深化固体物理学的核心概念——能带理论。我们将从布洛赫定理出发，阐述电子在周期性晶格势场下的波函数形式和能量本征值结构。 1. 晶格对称性与布洛赫电子 详细分析布拉菲点阵的倒易空间结构，并介绍布里渊区的概念。我们将探讨群论在描述晶格对称性分类中的关键作用，特别是如何利用空间群对称性来简化能带结构的计算，并预测能带简并点的存在。 2. 紧束缚近似（Tight-Binding Approximation, TBA）与有效质量 阐述TBA如何从原子轨道线性组合（LCAO）出发，构建出描述离域电子能带的有效模型。我们将推导有效哈密顿量，并计算电子在能带底部的有效质量张量，揭示晶格势场对电子运动的“惯性”影响。对于二维材料（如石墨烯）和简单立方、面心立方等晶体，将给出具体的能带结构计算实例。 3. 费米面与输运性质 深入分析费米面在描述金属和半导体中的关键作用。我们将讨论如何通过泊松积分（Poisson Summation Formula）连接实空间与倒易空间，并利用费米面的形状来预测材料的电导率张量。随后，将引入玻尔兹曼输运方程，分析在电场、温度梯度和磁场作用下，电子的弛豫时间、平均自由程以及霍尔效应的微观机制。 第三部分：晶体场效应与局域磁矩的起源 本部分将侧重于过渡金属和稀土元素化合物中，局域电子与晶体环境相互作用所产生的物理现象，特别是电子的轨道角动量和自旋角动量如何被晶格环境所“淬灭”或重构。 1. 晶体场理论（Crystal Field Theory, CFT） 详细解析配位场对$d$轨道和$f$轨道能级的劈裂效应。我们将依据配位几何（如八面体、四面体场），计算能级分裂的幅度（即晶体场参数$10Dq$或$Delta$），并利用洪德规则和胡恩规则（Hund’s Rules）来确定基态的电子排布和磁矩。 2. 配位场理论与d-轨道劈裂 深入探讨配位场理论（Ligand Field Theory），引入分子轨道理论的概念，以更精确地描述金属离子与配体之间的σ键和π键作用对方轨道能级的影响。这将有助于理解为什么某些氧化物中的电子是高度局域的，而另一些则表现出一定的离域性。 3. 斯平轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）与磁各向异性 引入SOC项，研究其如何将电子的自旋与空间运动关联起来。重点分析高阶的SOC效应如何导致磁晶各向异性（Magnetocrystalline Anisotropy, MCA），这是理解磁记录材料和永磁体矫顽力的关键。我们将展示如何通过计算磁化强度相对于晶体取向的能量依赖关系来确定易磁轴。 第四部分：多电子相互作用与电子关联系统 本部分将从更本质的角度审视电子间的库仑排斥作用，这些强关联效应是许多非常规超导电性、重费米子行为和莫特绝缘体现象的根本原因。 1. 简化的相互作用模型 引入哈密顿量来描述电子间的库仑相互作用。重点讨论海森堡模型（Heisenberg Model）作为描述磁性材料中交换相互作用的有效模型，以及伊辛模型（Ising Model）在描述一维或高度各向异性系统时的应用。 2. 局域电子模型：Hubbard 模型 详尽介绍Hubbard 模型，它是研究电子在晶格中同时考虑动能和局域排斥的最小化模型。我们将分析其极限情况： 强关联极限 ($U gg t$)： 探讨如何通过二手有效哈密顿量推导出反铁磁交换相互作用，这是理解高温超导和许多层状过渡金属氧化物磁性的基础。 弱关联极限 ($U ll t$)： 回归到标准的单电子能带理论。 3. 莫特绝缘体与电荷转移绝缘体 区分由电子强关联引起的莫特绝缘体（Mott Insulator）和由填充不足导致的传统绝缘体。分析在高关联体系中，电子如何被限制在局域态，导致系统即使在费米面处也有电子但却不导电的现象。 第五部分：从第一性原理到先进计算方法 本部分将介绍现代计算物理学中用于精确预测和理解电子结构与磁性的工具。 1. 密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT） 回顾DFT的基本原理，并重点讨论交换关联泛函的选择对计算结果的影响，特别是广义梯度近似（GGA）和GGA+$U$ 方法在处理过渡金属和稀土化合物中局域$d/f$电子时的必要性。 2. 磁性计算与非共线磁结构 阐述如何通过自洽计算确定磁矩的取向和大小，包括铁磁性、反铁磁性和螺旋磁性的结构。讨论磁性斯格明子（Skyrmions）和反常霍尔效应（Anomalous Hall Effect）的计算方法，这些现象需要更精细地考虑非共线自旋结构和拓扑效应。 3. 动力学与激发态计算 简要介绍线性响应理论和GW近似在计算电子激发（如光吸收光谱、介电函数）中的应用，以及如何通过平均场理论或蒙特卡洛模拟来研究磁性的温度依赖性和相变。 结语 通过对周期性势场、晶体场劈裂和电子间强关联效应的系统性探讨，本书为读者构建了一个从原子尺度到宏观功能间的完整理论框架，为深入研究新兴磁性材料和功能性固体器件奠定了坚实的理论基础。

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