Condensed-Matter and Materials Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026
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具体描述
Condensed-matter and materials physics (CMMP) is the science of the material
world around us. Long ago, curiosity about the natural world led to questions
about condensed-matter systems, such as water, snow, ice, and rocks, and how
these respond to light, heat, and mechanical forces. This thirst for fundamental
understanding has been inextricably tied to the desire to manipulate nature by
harnessing its properties or creating new materials to serve human needs. The inherent intertwining of pure and applied research defines and enriches the CMMP
enterprise to this day. This report surveys the field of CMMP during the past
decade, including the state of federal and private support of CMMP within the
United States, and looks ahead to the intellectual and technological challenges of
the coming decade.
The 20th century was a period of remarkable fundamental and technological
progress in CMMP. Continued federal and private investments led to considerable
advances in the basic understanding of condensed-matter phenomena. Years and
often decades later, these advances led in turn to the invention of devices that now
form the basis of much of our technological society, including the transistor, the
integrated circuit, the laser, magnetic resonance imaging, liquid-crystal displays,
and, more recently, high-efficiency solid-state lighting. U.S. leadership in nurturing
invention, from initial scientific discoveries to commercial technological products,
has contributed significantly to this nation’s economic strength. In particular,
the industrial development of many of these technologies has led to current U.S.
leadership in computing and global communications. Although the relationship
is difficult to measure quantitatively, there is a consensus among economists that advances in technology have been the main driver of economic growth over the
past 60 years.
作者简介
目录信息
1 OVERVIEW 7
Six Scientific Challenges for the Next Decade, 8
How Do Complex Phenomena Emerge from Simple Ingredients?, 8
How Will the Energy Demands of Future Generations Be Met?, 10
What Is the Physics of Life?, 12
What Happens Far from Equilibrium and Why?, 14
What New Discoveries Await Us in the Nanoworld?, 17
How Will the Information Technology Revolution Be Extended?, 18
Societal and Scientific Impact of CMMP Research, 20
Industrial Research, 23
Structure and Level of the Current Research Effort, 24
Tools, Instrumentation, and Facilities for CMMP Research, 26
Concluding Comments, 28
2 HOW DO COMPLEX PHENOMENA EMERGE FROM SIMPLE 30
INGREDIENTS?
Emergent Phenomena: Beautiful and Useful, 30
Superconductivity: An Illustrative Example and a Frontier of Research, 32
Fermi Liquids and Non-Fermi Liquids, 36
Quantum Hall Systems and the Discovery of New Quantum
States of Matter, 41
Critical Phenomena and Universality, 45
Emergence in Ultracold Atomic Gases, 47
Emergence in Classical Condensed-Matter Systems, 48
Realizing the Full Potential of Emergence, 51
Conclusions, 52
3 HOW WILL THE ENERGY DEMANDS OF FUTURE GENERATIONS 53
BE MET?
Setting the Context, 54
Energy Conversion, 56
Solar Cells, 56
Hydrogen Generation by Photocatalysis, 57
Fuel Cells, 58
Thermoelectrics, 59
Biofuels, 60
Nuclear Energy Conversion, 61
Energy Storage, 62
Batteries, 62
Hydrogen Storage, 63
Supercapacitors, 64
End-Use Energy Efficiency, 64
Solid-State Lighting, 65
Smart Windows, 67
Other Energy Conservation Opportunities, 68
Conclusions, 69
4 WHAT IS THE PHYSICS OF LIFE? 70
Overview, 70
An Introductory Example: High Fidelity with Single Molecules, 71
Organizing Our Thoughts and Opportunities, 74
Noise Is Not Negligible, 75
Molecule Counting in Chemotaxis, 75
Noise in the Regulation of Gene Expression, 78
Signals and Noise in the Brain, 82
Fine-Tuning Versus Robustness, 83
Protein Folding and the Space of Sequences, 84
Ion Channels and the Computational Function of Neurons, 85
Adaptation, 87
Fulfilling the Promise, 90
5 WHAT HAPPENS FAR FROM EQUILIBRIUM AND WHY? 91
The Importance of Far-from-Equilibrium Phenomena, 91
Key Themes Defining the Scope of the Challenge, 93
What CMMP Brings to the Table, 94
How Do Systems Reach the Far-from-Equilibrium Regime and
What Makes Far-from-Equilibrium Physics Difficult?, 95
Far-from-Equilibrium Materials, 97
Far-from-Equilibrium Processing and Assembly, 98
What Determines Behavior Far from Equilibrium?, 99
Systems with Hydrodynamic Equations of Motion, 100
Turbulence and Fracture, 102
Singularities, 103
Robustness as a Design Principle, 104
Predictability and Control: What Can We Learn from
Fluctuations?, 106
Formal Theoretical Developments, 107
Getting (Un-)Stuck: Jammed States and Jamming Transitions, 107
The Next Decade, 110
6 WHAT NEW DISCOVERIES AWAIT US IN THE NANOWORLD? 111
Why Nano?, 111
Nanoscale Structures: How Do We Build Them?, 113
Patterning at the Nanoscale: Lithography and Self-Assembly, 114
Controlling Growth at the Nanoscale, 116
Molecular and Biological Building Blocks, 116
Studying Nanostructure Building Blocks: The Atomic Physics of
Nanoscience, 118
Quantum Manipulation, 119
Controlling Light: Nano-Optics, 120
Probing Molecular Machines, 121
Combining Different Properties, 122
Assembling the Blocks: The Condensed-Matter Physics of
Nanoscience, 122
Ordered Arrays, 122
Arbitrary Structures, 124
Small Probes and Big Ideas: Critical Needs for a Nano Future, 124
Better Eyes, 125
Improved Sensing, 126
A Greater Understanding, 126
7 HOW WILL THE INFORMATION TECHNOLOGY REVOLUTION 127
BE EXTENDED?
The Road Ahead, 127
New Devices for Mass Storage of Information, 134
New Solid-State Memory Devices, 134
New Devices for Processing Information,136
Quantum Computing, 140
Conclusions, 141
8 THE IMPACT OF CONDENSED-MATTER AND MATERIALS 144
PHYSICS RESEARCH
Impact on Society, 144
Education, 144
The Economy, 147
Energy, 149
Medicine and Health Care, 151
Impact on Other Scientific Disciplines, 152
Atomic, Molecular, and Optical Physics, 152
Nuclear and High-Energy Physics, 156
Astronomy, 157
Chemistry, 159
Biology, 160
Information Technology and Computer Science, 162
Interdisciplinary Research in CMMP, 163
Recommendations, 164
9 INDUSTRIAL LABORATORIES AND RESEARCH IN CONDENSED- 165
MATTER AND MATERIALS PHYSICS
History of Industrial Research Laboratories, 165
Filling the Gap: New Approaches to Long-Term Research, 167
Conclusions, 170
Recommendation, 171
10 STRUCTURE AND LEVEL OF THE CURRENT RESEARCH EFFORT 172
Federal Funding for CMMP Research, 172
Funding Success Rates, 177
Grant Sizes, 180
International Data, 180
Demographics of CMMP, 180
Women and Underrepresented Minorities in CMMP, 183
Doctoral Degrees in Physics by Citizenship, 186
Publication Trends, 187
Recommendations, 191
11 TOOLS, INSTRUMENTATION, AND FACILITIES FOR 193
CONDENSED-MATTER AND MATERIALS PHYSICS RESEARCH
Tools and Instrumentation for CMMP Research, 194
Instrumentation in CMMP Research, 195
Computation in CMMP Research, 198
Centers and Facilities in CMMP Research, 203
Scientific User Facilities for CMMP Research, 207
Light Sources, 208
Neutron Sources, 216
Electron Microscopy, 222
High-Magnetic-Field Facilities, 228
Nanocenters and Materials Synthesis, 231
Large-Scale High-Performance Computing Facilities, 235
Conclusions, 238
CONCLUDING REMARKS 239
APPENDIXES
A Statement of Task 243
B Agendas of Committee Meetings 245
C Agenda and Participants at Facilities Workshop 250
D Biographies of Committee Members 255
· · · · · · (收起)
读后感
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用户评价
阅读《Condensed-Matter and Materials Physics》是一次知识的洗礼，其内容之渊博，论述之深刻，令人叹为观止。我尤其被书中关于表面和界面的讨论所吸引，作者从原子尺度的表面重构，到宏观的界面能和相容性，都进行了详尽的分析。理解这些表面和界面的性质，对于催化、腐蚀和薄膜生长等应用至关重要。书中对不同表面探针技术（如STM、AFM）的原理及其应用也进行了介绍，让我对如何“看”到原子世界有了直观的认识。此外，作者在解释材料的缺陷和非晶态结构时，展现了非凡的洞察力。对于晶体缺陷（如位错、层错）如何影响材料的力学性能，以及非晶态材料（如玻璃、聚合物）的无序结构如何导致其独特的物理性质，都进行了深入的探讨。书中对这些非理想材料的表征和研究方法，也提供了重要的指导。而且，书中对材料的输运性质，如电导率、热导率和磁导率，都进行了系统的分析。作者通过将微观的电子、声子等载流子行为与宏观的输运系数联系起来，揭示了材料输运现象的内在机制。对于不同材料在不同温度和磁场下的输运特性，书中都有详尽的解释。这本书的理论深度与实际应用紧密结合，为我打开了通往凝聚态物理和材料科学研究的大门。
评分当我第一次拿到《Condensed-Matter and Materials Physics》这本书时，我被它内容所覆盖的巨大范围所震撼。从晶体结构的基础知识，到复杂的量子现象，这本书似乎无所不包。我印象特别深刻的是关于热力学和统计力学在材料科学中应用的章节，作者不仅介绍了相平衡、相变等基本概念，还深入探讨了相图的绘制和解读，这对于材料的设计和选择至关重要。书中对于合金相图的分析，结合了实验数据和理论模型，为理解不同成分和温度下材料的组织结构和性能变化提供了坚实的基础。此外，作者在讨论材料的电学性质时，从自由电子模型到费米气体理论，再到介质材料的极化现象，都进行了详细的阐述。对于不同类型的导体、绝缘体和半导体，以及它们在电场作用下的行为，都给出了清晰的解释。书中对介电常数、电导率和霍尔效应的深入分析，让我对材料的电学特性有了更全面的认识。而且，在介绍磁性材料时，作者并没有止步于铁磁性，还详细阐述了顺磁性、抗磁性以及更复杂的反铁磁性，并解释了这些磁性的微观来源。书中对磁畴壁、磁畴反转等现象的分析，以及与磁记录技术的关系，都令人印象深刻。整本书的语言清晰简洁，即使是复杂的概念，作者也能用通俗易懂的方式进行解释，这对于非专业背景的读者来说，也极具价值。
评分《Condensed-Matter and Materials Physics》这本书，是一部凝聚态物理和材料科学领域的扛鼎之作，其内容之丰富，逻辑之严谨，令人赞叹。我尤其对书中关于晶格动力学和声子理论的阐述印象深刻。作者不仅详细介绍了简谐近似下的晶格振动，还深入探讨了色散关系、群速度和相速度的概念，以及它们如何影响材料的热容量和热导率。书中对非简谐效应的讨论，也揭示了其在热膨胀和非线性光学等现象中的重要作用。此外，作者在解释材料的电子结构时，从周期性势场下的电子行为，到能带理论的建立，再到不同材料（金属、半导体、绝缘体）的能带结构的特点，都进行了系统性的介绍。书中对费米面、布里渊区以及电子-声子相互作用的分析，为理解材料的电学、光学和磁学性质提供了坚实的理论基础。而且，在介绍材料的磁性时，作者并没有止步于铁磁性，而是详细探讨了顺磁性、抗磁性、反铁磁性和亚铁磁性，并解释了这些磁性的微观起源。书中对磁畴结构、磁畴壁运动以及磁各向异性的讨论，都极具启发性。整本书的结构清晰，层次分明，从基础概念到前沿理论，都娓娓道来，引人入胜。
评分初次翻开这本《Condensed-Matter and Materials Physics》，就被其宏大的视野和深入的探讨深深吸引。作者以一种极其详实且富有逻辑的方式，层层剥开了凝聚态物理和材料科学的复杂面纱。我尤其欣赏其中对于晶体结构和电子行为之间相互作用的细致阐述，这部分内容不仅讲解了基本的布拉格衍射原理，更将量子力学中的能带理论与实际材料的电子输运性质紧密联系起来。当我阅读到关于半导体物理的那几章时，仿佛亲眼见证了电子和空穴如何在晶格中自由移动，以及掺杂如何巧妙地改变材料的导电性。作者并没有止步于理论的推导，而是通过大量的图表和计算示例，将抽象的概念具象化，使得即使是初学者也能逐渐理解其中的奥秘。例如，书中关于铁磁性材料的讨论，从微观的电子自旋排列，到宏观的磁畴结构，再到应用层面的磁存储技术，形成了一个完整的知识链条，让人对磁性材料的理解上升到了全新的高度。此外，书中对于不同材料在不同环境下的相变行为，如固液气相变以及更复杂的固态相变，也进行了详尽的分析。通过对热力学原理的应用，以及统计力学方法的引入，我们得以洞察材料内部原子排列的微妙变化如何影响宏观性质，这对于理解材料在极端条件下的稳定性至关重要。书中对合金相图的解读，更是将实验数据与理论预测相结合，为材料设计提供了宝贵的指导。而且，作者在介绍声子和晶格振动时，并没有局限于简单的简谐振动模型，而是引入了更复杂的色散关系，并阐述了这些集体激发如何影响材料的热导率和比热容，这对于理解热力学和输运现象的本质非常有帮助。总而言之，这本书为我构建了一个坚实的凝聚态物理和材料科学知识框架，让我对这个领域产生了浓厚的兴趣，并激发了我进一步深入学习的动力。
评分当我沉浸在《Condensed-Matter and Materials Physics》的字里行间时，我深切体会到作者在梳理如此宏大的知识体系时所付出的心血。本书内容涵盖了凝聚态物理和材料科学的各个重要分支，并且叙述方式清晰且富有启发性。我尤其喜欢书中对统计力学在材料科学中应用的讲解，从玻尔兹曼分布到费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计，作者都清晰地阐述了它们在描述不同粒子系统时的适用性。这对于理解材料的平衡态性质，如热容、磁化强度以及相变行为至关重要。书中对相变的深入分析，从一级相变到二级相变，再到临界现象，都进行了详细的论述，并且结合了平均场理论和标度律等概念。此外，作者在解释材料的介电性质时，从电子极化、离子极化到取向极化，都进行了详细的分析，并引入了介电常数、损耗角正切等重要参数。这使得我对介电材料在电容器、绝缘体等领域的应用有了更深的理解。而且，在介绍材料的磁性时，作者并没有回避其复杂性，而是从微观的电子自旋相互作用，到宏观的磁畴结构，再到不同类型的磁性材料（铁磁性、反铁磁性、顺磁性），都进行了深入的探讨。整本书的数学推导严谨，物理图像清晰，为读者提供了一个全面而深入的学习平台。
评分《Condensed-Matter and Materials Physics》这本书，对我而言是一次深入探究物质奥秘的绝佳机会。作者以其深厚的学术功底和卓越的表达能力，将凝聚态物理和材料科学这两个复杂而迷人的领域娓娓道来。我尤其为书中关于材料的力学性能分析而着迷。作者从晶体结构的宏观力学响应，到微观的原子键合、晶格缺陷（如位错、空位）如何影响材料的强度、硬度和延展性，都进行了详尽的阐述。书中对断裂力学、疲劳以及蠕变等现象的分析，为理解材料在实际应用中的失效机制提供了关键的洞察。此外，作者在解释材料的电子结构时，从量子力学的基本原理出发，引入了晶格周期性势场下的电子行为，并逐步构建了能带理论。书中对不同材料（金属、半导体、绝缘体）的能带结构特点，以及它们如何决定材料的导电性和光学性质，都进行了深入的分析。而且，在介绍材料的相变行为时，作者并没有仅仅停留在描述相图，而是深入探讨了相变的微观机制，如原子重排、序参量的变化等。书中对热力学平衡、相边界以及相变的动力学过程的讨论，为理解材料在不同条件下的状态变化提供了坚实的理论基础。整本书的结构严谨，逻辑清晰，为读者提供了一个全面而深入的学习平台，让我对凝聚态物理和材料科学有了更深刻的理解和认识。
评分《Condensed-Matter and Materials Physics》这本书，可以说是我在学习凝聚态物理和材料科学过程中一次非凡的学术之旅。作者以一种系统而全面的方式，剖析了物质在宏观和微观层面上的丰富现象。我特别欣赏书中对于晶体衍射理论的深入讲解，从布拉格方程的推导，到倒易点阵的概念，再到实际晶体结构的解析，作者将抽象的数学工具与物理现实紧密结合。这部分内容为理解X射线衍射、中子衍射等实验技术提供了坚实的理论基础。此外，书中关于电子在周期性势场中的行为的讨论，从薛定谔方程在晶格中的应用，到能带结构的形成，再到费米面的概念，都进行了详尽的阐述。这使得我对半导体、金属和绝缘体的电子结构有了深刻的理解。作者通过对不同能带结构的分析，解释了材料的导电性、光学吸收以及磁性等性质。而且，在介绍非晶态材料时，作者并没有回避其复杂性，而是从短程有序、长程无序的角度，阐述了其独特的结构和性质，并将其与晶态材料进行了对比。书中对玻璃转变温度、弛豫行为等的讨论，都极具启发性。整本书的图示清晰，示例丰富，为理解抽象的理论概念提供了直观的帮助。
评分《Condensed-Matter and Materials Physics》这本书，我可以说是在一种既有挑战性又充满启发性的体验中读完的。作者在处理复杂的物理概念时，展现出了非凡的清晰度和严谨性。特别是在关于布里渊区和倒空间的概念的阐释上，作者通过形象的比喻和精密的数学推导，将抽象的傅里叶变换在晶格周期性中的应用，变得易于理解。我通过对书中关于晶格动力学部分的学习，深刻理解了声子扮演的角色，它们不仅仅是简单的振动，更是能量和动量的载体，直接影响着材料的热学、电学和光学性质。作者在讨论晶格缺陷时，从空位、间隙原子到位错，都进行了详尽的描述，并解释了这些缺陷如何影响材料的强度、扩散率和电子传输。这部分内容对于理解材料的宏观性能与微观结构之间的联系，提供了关键的洞察。另外，书中对光学性质的探讨，从光的吸收、反射到透射，再到更复杂的非线性光学效应，都进行了深入的分析。作者通过将光子与电子的相互作用，以及晶格振动的耦合，解释了不同材料如何展现出其独特的光学特性，这对于光电子器件的设计和开发具有重要的指导意义。而且，在介绍表面物理和界面现象时，作者并没有停留在宏观的描述，而是从原子排列、表面能以及表面态等微观层面进行了深入探讨，这对于理解催化、吸附以及传感器等应用至关重要。整本书的组织结构非常合理，章节之间的过渡自然流畅，使得读者在学习过程中能够形成一个连贯的知识体系。
评分《Condensed-Matter and Materials Physics》这本书，是一部凝聚态物理和材料科学领域的杰出著作，其内容之详实，论述之精辟，令人折服。我特别被书中关于电子输运性质的深入分析所吸引。作者从自由电子模型出发，逐步引入了阻抗、霍尔效应、西贝克效应等概念，并解释了不同材料（金属、半导体、超导体）在电场、磁场和温度梯度作用下的输运行为。这部分内容对于理解电子器件和热电器件的设计至关重要。书中对材料的磁输运现象，如磁电阻效应的详细讲解，也极具启发性，让我认识到磁性如何影响电子的运动。此外，作者在讨论材料的光学性质时，从光的传播、反射、折射，到吸收、透射，再到更复杂的色散关系和非线性光学效应，都进行了系统的介绍。书中对不同材料（如透明材料、半导体、金属）的光学特性，以及其与电子结构和晶格振动的关系，都有详尽的阐述。而且，在介绍材料的表面和界面性质时，作者并没有停留在宏观的描述，而是从原子排列、表面能以及界面电子态等微观层面进行了深入探讨。书中对表面重构、表面缺陷以及界面电子学等概念的讲解，对于理解薄膜生长、催化以及二维材料等前沿领域至关重要。整本书的组织结构非常合理，章节之间的过渡自然流畅，使得读者在学习过程中能够形成一个连贯的知识体系。
评分坦白说，一开始我被《Condensed-Matter and Materials Physics》的厚度给吓到了，但一旦沉浸其中，便被其内容的深度和广度所折服。这本书不仅仅是一本教科书，更像是一本凝聚态物理与材料科学的百科全书，内容涵盖了从基础理论到前沿应用的方方面面。我尤其被书中关于超导现象的章节所震撼，它不仅仅是简单地介绍了迈斯纳效应和约瑟夫森效应，更是深入探讨了BCS理论背后的微观机制，以及铜氧化物超导体等高温超导材料的出现所带来的理论和实验上的挑战。书中对超导材料的能隙结构、相干长度以及伦敦穿透深度的精确计算，让我对超导态有了更清晰的认识。而对于磁性材料的讨论，更是从经典的居里-外斯定律出发，逐步深入到量子磁性、自旋波以及更复杂的磁有序相，如反铁磁性和亚铁磁性。作者通过对不同磁晶相互作用的解析，揭示了磁性起源的复杂性，并巧妙地联系了材料的宏观磁学性质。此外，书中对低维材料，如二维材料（如石墨烯）和一维纳米材料的深入分析，让我看到了材料科学在纳米尺度上的无限可能性。从电子的量子限制效应到其独特的电子和光学性质，这本书为理解这些新材料提供了扎实的理论基础。书中对统计力学的应用，特别是蒙特卡洛方法和分子动力学模拟的介绍，让我看到了数值计算在材料研究中的巨大威力，能够模拟出实验难以观察到的微观过程。而且，作者在讨论材料的力学性能时，不仅仅局限于宏观的应力-应变曲线，更是从晶格缺陷、位错运动以及断裂韧性等微观层面进行了剖析，这对于理解材料的强度和延展性至关重要。整本书的逻辑清晰，循序渐进，对于想要系统学习和深入理解凝聚态物理与材料科学的读者来说，无疑是一本不可多得的宝藏。
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