量子化学中的计算方法 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:陈飞武

出品人:

页数:208

译者:

出版时间:2008-6

价格:40.00元

装帧:平装

isbn号码:9787030219794

丛书系列:

图书标签:

• 量子化学
• 理论化学
• 化学
• 量子化学
• 计算化学
• 分子模拟
• 从头算
• 密度泛函理论
• 半经验方法
• 量子力学
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• 化学物理
• 分子性质

凝聚态物理中的前沿课题与实验技术 本书聚焦于当代凝聚态物理领域中最具挑战性、发展最迅速的几个核心方向，深入剖析了从理论框架构建到尖端实验表征的全过程。全书结构严谨，内容涵盖了理论模型的最新进展、实验表征技术的精细操作，以及跨学科交叉应用的前瞻性探讨，旨在为该领域的研究人员、高年级本科生及研究生提供一份全面而深入的参考资料。 --- 第一部分：拓扑材料的物理学与新颖性质 本部分系统性地介绍了拓扑物理学这一近年来对凝聚态物理产生颠覆性影响的分支。它不再仅仅关注传统的能带理论，而是将体外的拓扑不变量引入对材料性质的理解之中。 第一章：拓扑绝缘体与拓扑半金属的能带拓扑 本章首先回顾了布洛赫定理在晶体周期性系统中的基础作用，并引入了Berry相位和陈数（Chern Number）等拓扑不变量的概念。详细阐述了如何利用这些拓扑量来区分拓扑非平庸（Topologically non-trivial）和拓扑平庸（Topologically trivial）的电子态。重点讨论了二维时间反演对称（Time-Reversal Symmetric, TRS）的拓扑绝缘体，例如HgTe/CdTe异质结中的量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect, QSHE），并解析了其边缘态的无耗散传输机制。随后，深入探讨了无TRS保护的拓扑体系，如具有强自旋轨道耦合（SOC）的三维拓扑绝缘体（如Bi$_{2}$Se$_{3}$族），并解析了其表面狄拉克锥的形成条件和非平庸的电子结构特征。 第二章：高阶拓扑与新型拓扑序 超越了传统的拓扑绝缘体概念，本章探索了高阶拓扑现象。这包括角拓扑绝缘体（角谷霍尔效应的体现）和高阶拓扑半金属（如具有零维点或线缺陷的边界态的材料）。详细介绍了莫尔斯拓扑不变量（Bulk-Boundary Correspondence的推广）在描述这些复杂拓扑序中的应用。此外，还引入了非厄米（Non-Hermitian）物理学在拓扑材料设计中的新兴作用，特别是非厄米拓扑相变和相应的奇异边界态，例如非厄米能带收缩（Brillouin Zone Shrinkage）现象。 第三章：拓扑超导与马约拉纳费米子 将拓扑概念扩展到超导领域，本章详细分析了拓扑超导体对电子配对函数的拓扑分类。核心内容围绕中性的和带电的马约拉纳费米子（Majorana Fermions）展开。理论部分解析了涡旋核心中的非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons）的潜在性质，以及如何通过p波超导或s波超导体与拓扑材料的界面效应来实现马约拉纳零能模（MZMs）的束缚态。 --- 第二部分：强关联电子系统与相变动力学 本部分深入探讨了电子间相互作用（强关联效应）如何主导材料的宏观物理性质，特别关注具有竞争性相位的复杂材料。 第四章：多铁性材料中的电磁耦合 多铁性材料（Multiferroics）是铁电性（Ferroelectricity）和铁磁性（Ferromagnetism）在同一材料中同时存在的体系。本章侧重于研究这两种序参量之间的本征耦合机制，如磁致电效应（Magnetoelectric Effect）。详细分析了不同类型的多铁性：I型（两个序参量起源不同）和II型（其中一个序参量由另一个诱导产生）。重点讨论了通过应力调控或电场极化来精确操控磁矩的先进方法，及其在信息存储领域的应用潜力。 第五章：莫尔分数能带中的新奇物态 本章聚焦于由原子级堆叠或应变诱导产生的莫尔（Moiré）周期性系统，如双层石墨烯（Twistronics）。阐述了莫尔势如何极大地减小电子的有效带宽，从而极大地增强电子间的库仑相互作用，导致“平带”的出现。深入分析了在“魔法角度”（Magic Angle）附近观察到的Mott绝缘态、非常规超导电性，以及铁磁有序等强关联现象的微观机制。 第六章：非平衡态下的量子输运 本章将目光投向远离热平衡的非平衡态动力学。研究了在强激光脉冲驱动下材料的瞬态响应，如高次谐波产生（High Harmonic Generation, HHG）中的非线性光学响应。同时，阐述了如何利用格林函数方法和Keldysh理论处理时间依赖的涨落和输运问题，特别是在分析输运过程中电荷弛豫和能量传递的快慢过程。 --- 第三部分：尖端实验表征技术精要 理论的突破依赖于高精度的实验验证。本部分详细介绍了用于探测凝聚态物质微观性质的几项关键技术。 第七章：角分辨光电子能谱学（ARPES）的精细化操作 ARPES作为直接探测电子能带结构的“显微镜”，其在拓扑材料和强关联体系研究中不可或缺。本章不仅回顾了光电子能谱的基本原理，还重点讲解了如何通过优化光束线（Beamline）设计、使用高能量分辨率的探测器以及灵活调控入射光的偏振态来解析复杂的电子结构。详细说明了如何从原始数据中提取Berry曲率分布、费米面嵌套矢量以及表面态的色散关系。 第八章：扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）的低温与高场应用 本章深入探讨了STM和STS在原子尺度成像和局部电子态测定中的强大能力。重点讨论了在极低温（mK级）环境下对弱激发和准粒子行为的探测，以及在强磁场下对量子霍尔效应和磁性畴壁进行成像的技术挑战与实现方案。对扫描隧道谱（$dI/dV$）的分析，特别是其微分电导对局域态密度（LDOS）的敏感性，进行了详尽的案例分析。 第九章：同步辐射光源与中子散射技术在磁性研究中的结合 本章阐述了宏观磁性测量到微观磁结构解析的跨越。详细介绍了利用同步辐射光源的圆偏振X射线进行磁圆二色性吸收谱（XMCD）技术，以实现对特定元素和轨道磁矩的独有分辨能力。同时，对比分析了中子散射（包括弹性、非弹性中子散射）在确定磁结构单元胞内磁距取向和激发谱（如自旋波）方面的不可替代性。讨论了如何将X射线技术与中子技术结合，实现对动态过程的跟踪表征。 --- 本书的独到之处在于，它成功地在理论的深刻洞察与实验的工程实现之间架起了一座坚实的桥梁。书中提供的详尽模型推导和实验参数设置，使其成为凝聚态物理研究者不可多得的工具书。

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这本书的封面设计真是让人眼前一亮，那种深邃的蓝色调配上简约的几何图形，立刻就营造出一种严谨而又充满探索意味的氛围。我是在一次学术交流会上偶然接触到这本书的，当时就被它精准的定位吸引了——它似乎想搭建一座桥梁，连接理论物理的抽象与实际计算的落地。我原本对分子模拟领域只有粗浅的了解，总觉得那些复杂的薛定谔方程和波函数处理起来像是天书，但这本书的叙事方式却非常平易近人。它没有一开始就抛出让人望而却步的数学公式，而是从概念的引入开始，一步步引导读者理解计算的底层逻辑。特别是关于基组选择的部分，作者用了大量的比喻和图示来阐释不同基组函数的优缺点，这比我之前看过的任何一本教材都要清晰直观。读完前三章，我甚至开始尝试用一些开源软件进行简单的分子结构优化，那种亲手“触摸”到理论的踏实感，是单纯阅读论文无法给予的。这本书的价值在于，它不仅教授“如何做”，更深入地解释了“为何要这样做”，为初学者建立了一个非常扎实的知识框架。

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我必须指出，这本书在“软件操作”层面的介绍略显不足。虽然它在理论上搭建了一个完美的殿堂，但对于如何将这些理论付诸实践，比如如何设置输入文件、如何解读输出日志中的关键警告信息，着墨不多。例如，当涉及到周期性边界条件和实空间积分的计算时，书中的描述更多是基于数学模型的抽象，而实际操作中，不同软件（如VASP、Quantum ESPRESSO等）的处理方式和参数设置存在显著差异。我理解作者可能希望保持内容的长久适用性，避免对特定商业或开源软件的过度依赖，但对于刚入门的博士生来说，这种“理论完美但实践缺失”的感觉会造成一定的学习断层。如果能在某些关键算法后，附带一个通用的输入文件模板示例，并解释关键参数背后的物理意义，那么这本书的过渡会更加顺畅，理论与实践的鸿沟也能有效缩小。

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这本书最让我感到惊喜的是它对计算效率和硬件依赖性的讨论。在如今计算资源越来越成为瓶颈的时代，如何用最少的资源跑出最可靠的结果，是每一位计算化学家必须面对的现实问题。作者在这方面展现了极高的前瞻性，专门用了一章来对比CPU和GPU在不同算法（如密度泛函理论的迭代求解）上的性能差异，甚至还涉及了并行计算（MPI/OpenMP）的基本概念。这部分内容在很多传统教材中往往被一笔带过，被认为是“计算机科学”的范畴，但这本书恰恰强调了计算化学的交叉学科本质。我立刻根据书中的建议，调整了我们实验室的计算脚本，显著优化了长链分子构象搜索的时间。这种将理论、方法与工程实践紧密结合的视角，让这本书的实用价值倍增，它不只是一本教科书，更像是一本实用的“工具箱手册”，指导我们如何在大规模计算中保持敏捷和高效。

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全书的组织结构体现出一种清晰的逻辑递进，仿佛带领读者进行了一次由浅入深的探险。它从基础的量子力学回顾开始，稳步过渡到 Hartree-Fock 方法，随后引入了电子相关问题的核心——密度泛函理论（DFT），并细致地剖析了各种泛函的演进历史和适用范围。尤其值得称赞的是，作者对于“误差分析”的强调。他反复提醒读者，任何计算结果都带着固有误差，关键在于理解误差的来源，而不是盲目追求零误差。这种科学的审慎态度贯穿始终，使得读者在掌握强大计算工具的同时，也能保持必要的批判性思维。这种对科研伦理和结果可靠性的重视，使得这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一本关于如何进行负责任的计算研究的指南，对任何严肃从事理论或计算研究的人来说，都是一本值得珍藏的案头书。

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这本书的深度和广度确实让人印象深刻，但说实话，对于我这种主要关注材料科学应用、而非纯粹理论化学背景的人来说，某些章节的深入程度稍微有些“过载”了。例如，在处理多参考态方法（MRCI）的细节时，书中对耦合簇理论（CC）的数学推导花费了极大的篇幅，尽管我知道这些是理解高精度计算的基石，但中间穿插的那些矩阵对角化和微扰理论的引用，使得我不得不频繁地停下来查阅高等数学和线性代数的前置知识。这种详尽的推导固然体现了作者的严谨，但对于旨在快速掌握应用方法的读者而言，可能需要一个更明确的“应用侧重”与“理论深挖”的导览。我更期待能看到更多关于这些高精度方法在预测复杂体系（比如过渡金属配合物或激发态性质）时的实际案例分析，而不是仅仅停留在方法论的构建上。或许后续版本可以考虑增加一个“应用聚焦”的附录，将纯理论推导与实际算例进行更清晰的切割，这样能更好地服务于不同层次的读者群体。

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