具体描述
《固体中的介电弛豫(影印版)》是研究固体中介电弛豫现象的专著，被电介质领域的许多研究者奉为经典。作者提出在所有固体介质中存在普适的分数指数弛豫定律，其观点在学术界经历了从不被理解到广泛接受的曲折过程。书中介绍了介质极化的基础知识和介电函数的表述方法，在此基础上讨论了几种理想化模型的的动态响应特征，结合频域响应和时域响应的多种实验现象，总结提出了介电弛豫的多体普适模型。
《固体中的介电弛豫(影印版)》行文流畅、简明扼要，可作为物理、电子、材料、电气等相关专业的教师、研究生和科研人员的参考书。精读此书有助于深入、全面地理解电介质、半导体、电池及其他电子元器件测量中的实验结果。
凝聚态物理前沿：晶格动力学、磁性材料与拓扑量子现象 一、 引言：探索物质的微观世界 本书深入探讨了凝聚态物理领域中几个至关重要的前沿分支，旨在为读者构建一个关于固体材料在极端条件下行为的全面认知框架。我们将聚焦于晶格振动（声子）的复杂动力学、新兴磁性材料的特性，以及在拓扑绝缘体和超导体中展现的奇特量子效应。本书的编写目标是提供严谨的理论基础，结合最新的实验观测结果，帮助科研人员和高年级学生理解这些复杂现象背后的物理机制。 二、 晶格动力学与非线性声子行为 本篇聚焦于固体中原子集体振动的理论描述，即声子（Phonons）。传统的晶格动力学主要依赖于简谐近似，这在描述宏观热力学性质时是有效的。然而，随着对材料性能，特别是热输运和非线性光学响应深入研究的需求增加，我们必须超越这一限制，探讨声子间的非线性相互作用。 2.1 晶格振动的微扰理论 我们首先回顾了基于哈密顿量展开的声子理论。通过引入三阶和四阶的晶格势能项，详细推导了声子散射的微扰理论框架。重点讨论了费曼图在描述多声子过程中的应用，包括三声子耦合（Umklapp散射）和四声子过程对材料热导率的贡献。我们着重分析了声子寿命的概念，并展示了如何通过实验光谱学技术（如非弹性中子散射和拉曼散射）来精确测量不同声子支的寿命，特别是区分它们因同频散射和异频散射导致的寿命差异。 2.2 非谐性对热输运的影响 非谐性不仅影响声子寿命，更直接决定了材料的热膨胀系数和热阻抗。本书详细分析了德拜-华沙模型（Debye-Waller Factor）在描述晶格振动随温度变化的局限性，并引入了基于第一性原理计算的有限温度分子动力学模拟方法。通过实例分析，如硅和金刚石，我们展示了如何量化非谐性势能在确定材料的格林-久保（Kubo-Greenwood）热导率中的关键作用。尤其关注了在低维材料（如二维材料的界面）中，由于约束效应导致的声子散射机制的改变。 2.3 拓扑声子与晶格机械稳定性 近年来，拓扑概念被引入到晶格动力学中。我们探讨了拓扑晶体绝缘体（Topological Crystalline Insulators, TCI）中，由对称性保护产生的拓扑非平庸声子模式。这些模式在晶格的边界或缺陷处表现出局域化的特性，对外部扰动具有鲁棒性。此外，还深入讨论了由应力或形变诱导的晶格软化现象（Phonon Softening），以及这如何与材料的机械失效和相变过程相关联。 三、 磁性材料的复杂序构 本部分将视角转向电子的自旋自由度，探讨在强关联体系中涌现出的丰富多彩的磁性结构。我们将超越传统的铁磁性、反铁磁性，深入研究更复杂的磁序，如螺旋磁性、磁性斯格明子（Magnetic Skyrmions）和无序磁性。 3.1 电子关联与磁耦合机制 详细回顾了描述磁相互作用的基本理论模型，包括海森堡模型（Heisenberg Model）和伊辛模型（Ising Model）。重点分析了超交换作用（Superexchange）和德·吉尔斯-福尔斯特（Dzyaloshinskii–Moriya Interaction, DMI）的起源及其对磁结构的影响。特别强调了DMI在非中心对称晶体结构中如何稳定手性的螺旋磁相。 3.2 磁性斯格明子：拓扑磁结构 磁性斯格明子作为一种具有拓扑保护的磁畴壁结构，是当前自旋电子学和磁存储研究的热点。本书系统地阐述了斯格明子的拓扑荷概念，并分析了其在外部磁场和电流驱动下的动力学行为。讨论了如何通过控制材料的磁晶各向异性和界面效应来调控斯格明子的尺寸和运动速度。这部分将结合Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程的拓展形式，来模拟斯格明子的产生、湮灭和集体运动。 3.3 强关联体系中的多铁性与电荷序 研究了同时具备铁电性和铁磁性的多铁性材料（Multiferroics）。重点分析了由应变或电场耦合产生的磁电耦合（Magnetoelectric Coupling）机制，包括轨道-晶格耦合和电荷-自旋耦合。通过实例分析，如稀土锰酸盐和铋铁氧体，说明了如何利用电场调控磁性，这为开发新型传感器和非易失性存储器提供了新的思路。 四、 拓扑量子现象的物理基础 本章将深入探讨在某些特定对称性和几何约束下，电子能带结构所展现出的非平凡拓扑性质。 4.1 拓扑绝缘体与表面态 详细阐述了拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）的基本概念，即体内绝缘、体表导电的特性。重点解释了时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）在保护狄拉克锥表面态中的核心作用。通过$mathbb{Z}_2$拓扑不变量的计算方法，区分不同的拓扑相。我们将分析强自旋-轨道耦合（SOC）在能带反转中的作用，并讨论新型三维拓扑绝缘体的分类与识别。 4.2 拓扑超导与马约拉纳零能模 超导态与拓扑概念的结合催生了拓扑超导体。本书探讨了如何通过异质结结构（如半导体纳米线与超导体的接触）来诱导非阿贝尔任意子的出现，特别是马约拉纳零能模（Majorana Zero Modes）。我们将建立描述这种界面处的有效哈密顿量，并分析通过扫描隧道显微镜（STM）或输运测量探测马约拉纳束缚态的实验方案，强调其在容错量子计算中的潜在价值。 4.3 拓扑霍尔效应与手性动力学 在具有非共面的磁结构（如斯格明子晶格）中，电子在有效磁场的作用下会产生额外的横向电压，即拓扑霍尔效应（Topological Hall Effect）。本书通过对贝里曲率（Berry Curvature）在布里渊区中的积分，解释了这种拓扑非平庸性如何转化为宏观输运现象，并探讨了其与磁畴结构演化之间的动态联系。 五、 结论与展望 本书通过对晶格动力学、复杂磁结构和拓扑量子态的深入剖析，展示了凝聚态物理在理解和设计先进功能材料方面的广阔前景。未来的研究方向将集中于利用人工智能和机器学习方法加速复杂模型参数的优化，并探索在更高维度或极端条件下（如超高压、强磁场）新颖量子相的发现与控制。
作者简介
A．K．琼克，(A．K．Jonscher，1922—2005)，生于波兰华沙，1949年在伦敦大学玛丽皇后学院以一级荣誉学士学位毕业，并在该校Harry Tropper教授的指导下于1952年获得博士学位，1951年起在GEC研究实验室工作，从事半导体器件物理原理方面的研究工作，1962年以Reader身份加入伦敦大学切尔西学院，1965年成为固态电子学教授，1987年成为伦敦大学皇家霍洛威与贝德福德斯学完荣誉教授，1990年受邀担纲IEEE“普适介电响应”杰出怀特海荣誉讲席。琼克教授在介电弛豫研究方面具有很深的造诣，他于1983年和1996年分别出版的学术专著《固体中的介电弛豫》和《普适弛豫定律》，在国际学术界享有盛誉。
目录信息
PrefaceUseful Physical ConstantsChapter 1INTRODUCTION 1.1 Dielectrics and insulators 1.2 The nature of dielectric response 1.3 The purpose and scope of the present treatment References to Chapter 1Chapter 2 THE PHYSICAL AND MATHEMATICAL BASIS OF DIELECTRIC POLARISATION 2.1 Charges, dipoles and chemical bonds 2.2 Dielectric polarisation 2.3 Polarisation in static electric fields a) Orientational polarisation - freely floating dipoles b) Molecular polarisability - induced dipole moment c) Orders of magnitude of dipole moments and polarisabilities d) Polarisation by hopping charge carriers 2.4 Effect of particle interactions 2.5 Time-dependent dielectric response 2.6 Frequency-domain response 2.7 Permittivity, conductivity and loss 2.8 Kramers-Kronig relations Appendix 2.1 Fourier transform of the convolution integral Appendix 2.2 Computer programs for Kramers-Kronig transformation C--* G and G--* C References to Chapter 2Chapter 3 PRESENTATION OF DIELECTRIC FUNCTIONS 3.1 Introduction 3.2 Admittance, impedance, permittivity 3.3 More complicated equivalent circuits i) Series R-C in parallel with C~ ii) Resistance in series with parallel G--C combination iii) Capacitance in series with parallel G--C combination iv) Two parallel circuits in series v) Distributed R-C line 3.4 Summary of simple circuit responses 3.5 Logarithmic impedance and admittance plots 3.6 The response of a "universal" capacitor 3.7 Representation in the complex permittivity plane 3.8 Representation of the temperature dependence Appendix 3.1 Time domain, rotating vectors and frequency domain Appendix 3.2 Inversion in the complex plane References to Chapter 3Chapter 4 THE DYNAMIC RESPONSE OF IDEALISED PHYSICAL MODELS 4.1 Introduction 4.2 The harmonic oscillator 4.3 An inertialess system with a restoring force 4.4 Free charge carriers with collisions 4.5 Dipoles floating in a viscous fluid 4.6 Charge hopping between two potential wells 4.7 Dielectric phenomena in semiconductors i) Semiconductor materials ii) Schottky barriers and p-n junctions iii) Charge generation~recombination processes iv) Trapping phenomena 4.8 Diffusive transport 4.9 Concluding comments Appendix 4.1 The complex susceptibility of an inertialess system with a restoring force Appendix 4.2 Relaxation of "free" charge References to Chapter 4Chapter 5 EXPERIMENTAL EVIDENCE ON THE FREQUENCYR ESPONSE 5.1 Introduction 5.2 Near-Debye responses 5.3 Broadened and asymmetric dipolar loss peaks a) Polymeric materials b) Other dipolar systems c) Dipolar response at cryogenic temperatures d) Characterisation of dielectric loss peaks 5.4 Dielectric behaviour of p-n junctions 5.5 Dielectric response without loss peaks a) Charge carriers in dielectric materials b) Alternating current conductivity of hopping charges c) Fast ionic conductors 5.6 Strong low-frequency dispersion 5.7 Frequency-independent loss 5.8 Superposition of different mechanisms 5.9 Survey of frequency response information References to Chapter 5Chapter 6 EXPERIMENTAL EVIDENCE ON THE TIME RESPONSE 6.1 The role of time-domain measurements 6.2 The significance of loss peaks in the time--domain 6.3 The Hamon approximation 6.4 Evidence for inertial effects 6.5 Long-time behaviour in low-loss polymers 6.6 Detection on non-linearities by time--domain measurements 6.7 Contribution of charge carriers to the dielectric response 6.8 Other charge carrier phenomena a) Charge injection and surface potential b) Energy loss arising from the movement of charges c) Dispersive charge flow d) Charge carrier systems with strong dispersion 6.9 Conclusions regarding time--domain evidence a) The presence to two power laws b) The temperature dependence of the universal law c) Limiting forms of response at "zero" and "infinite" times d) The Debye "singularity" e) Time--domain response of the polarisation Appendix 6.1 The minimum duration of charging and discharging Appendix 6.2 Time-domain relaxation and dc conductivity References to Chapter 6Chapter 7 PREVIOUSLY ACCEPTED INTERPRETATIONS 7.1 Introduction 7.2 Distributions of relaxation times (DRT's) 7.3 Distributions of hopping probabilities 7.4 Correlation function approaches 7.5 Local field theories 7.6 Diffusive boundary conditions 7.7 Interracial phenomena and the Maxwell-Wagner effect 7.8 Transport limitation at the boundaries 7.9 The need for an alternative approach References to Chapter 7Chapter 8 THE MANY-BODY UNIVERSAL MODEL OF DIELECTRIC RELAXATION 8.1 The conditions for the occurrence of the universal response 8.2 A descriptive approach to many-body interaction a) The screened hopping model b) The role of disorder in the dielectric response c) The correlated states d) "Large" and "small" transitions 8.3 The infra-red divergence model a) The inapplicability of exponential relaxation in time b) Physical concepts in infra-red divergence c) The Dissado-Hill model of "large" and "small" transitions d) The small flip transitions e) Fluctuations or flip-flop transitions f) The complete analytical development of relaxation 8.4 The consequences of the Dissado-Hill theory a) The significance of the loss peak b) The temperature dependence of the loss peak c) Dipole alignment transitions d) The exponents m and n e) The temperature dependence of the "flat" loss f) The narrow range of ac conductivities 8.5 Clustering and strong low-frequency dispersion 8.6 Energy relations in the many-body theory a) Stored energy in the static and transient regimes b) Transfer of energy to the heat bath c) Dielectric and mechanical loss 8.7 The dynamics of trapping and recombination in semiconductors 8.8 Dielectric diagnostics of materials 8.9 Conclusions Appendix 8.1 The infra-red divergence References to Chapter 8Author IndexSubject index
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