Electronic Structure and Magneto-Optical Properties of Solids pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Victor Antonov

出品人:

页数:548

译者:

出版时间:2004-02-29

价格:USD 279.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781402019050

丛书系列:

图书标签:

• 固体物理
• 电子结构
• 磁光效应
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 光学性质
• 磁性材料
• 计算物理
• 能带理论
• 量子力学

光与物质的交响：深入探索材料的电子结构与磁光响应 本书并非聚焦于电子结构与磁光性质的特定材料，而是旨在构建一个普适性的理论框架和一套严谨的分析方法，用以理解和预测各类固体材料在电磁场作用下的行为。我们将从最基础的量子力学原理出发，逐步深入到描述固体内部电子运动的复杂理论，并以此为基石，揭示材料如何与光和磁场发生微妙而深刻的相互作用。 第一部分：电子结构的基本原理与计算方法 本部分将深入剖析构成固体物质的基石——电子的运动状态。我们将从单电子模型开始，介绍量子力学中的基本概念，如波函数、能量本征态、算符等，为理解多电子系统的复杂性奠定基础。 原子结构与周期性： 追溯原子核外电子的排布规则，理解原子轨道、电子云以及量子数的概念。在此基础上，我们将探讨原子在晶体中排列形成的周期性势场如何影响电子的行为，引出布里渊区的概念以及电子波在周期性势场中的衍射和散射。 多电子系统与近似方法： 面对固体中数量庞大的相互作用电子，精确求解变得异常困难。因此，我们将详细介绍一系列重要的近似方法，包括： Hartree-Fock方法： 介绍如何通过平均场近似将多电子问题转化为一系列单电子问题，并讨论交换相互作用在电子结构中的作用。 密度泛函理论 (DFT)： 重点阐述DFT的核心思想，即电子系统的性质完全由其电子密度决定。我们将深入探讨各种交换-关联泛函的构建原理、适用范围及其在计算电子结构中的优势与局限性。 固态理论方法： 介绍 Bloch 定理及其在描述周期性固体中电子波函数的重要性。我们将探讨如何利用这些理论来计算能带结构、态密度以及 Fermi 面等关键电子结构特征。 计算工具与实践： 简要介绍目前广泛使用的第一性原理计算软件（如 VASP, Quantum ESPRESSO, CASTEP 等），并指导读者如何选择合适的计算方法、设置参数以及解析计算结果，以获得准确的电子结构信息。 第二部分：磁性的起源与分类 磁性是固体材料赋予其独特性质的关键因素之一。本部分将系统性地梳理磁性的微观起源，并对不同类型的磁性进行分类和阐述。 电子自旋与轨道角动量： 回顾电子的内禀属性——自旋，以及其产生的磁矩。我们将深入探讨电子绕原子核运动产生的轨道角动量及其对宏观磁性的贡献。 磁性的微观起源： 原子磁矩的形成： 讨论原子中未成对电子的自旋和轨道角动量如何贡献于原子的净磁矩。 磁耦合机制： 重点解析不同材料中磁矩之间的相互作用，包括： 交换相互作用 (Exchange Interaction)： 这是理解铁磁性、反铁磁性等集体磁性的核心。我们将详细探讨其量子力学起源，以及在不同材料体系中的表现形式。 偶极-偶极相互作用 (Dipole-Dipole Interaction)： 介绍磁矩之间的长程相互作用，以及其在某些磁性材料中的影响。 轨道相互作用 (Spin-Orbit Coupling)： 阐述自旋和轨道角动量之间的耦合如何影响电子的能级和磁各向异性。 经典磁性分类： 抗磁性 (Diamagnetism)： 解释当施加外部磁场时，外磁场诱导的感生磁矩方向与外磁场相反的现象，及其在所有材料中普遍存在的微弱表现。 顺磁性 (Paramagnetism)： 讨论在无外磁场时，原子具有永久磁矩，但在外磁场作用下，这些磁矩随机取向，在外磁场方向上产生微弱净磁化的现象。 铁磁性 (Ferromagnetism)： 深入分析在铁磁性材料中，原子磁矩在自发磁化下平行排列，形成宏观磁性。我们将探讨居里温度、磁畴等概念。 反铁磁性 (Antiferromagnetism)： 解释在反铁磁性材料中，相邻原子磁矩反平行排列，导致宏观磁矩相互抵消的现象。 亚铁磁性 (Ferrimagnetism)： 讨论亚铁磁性材料中，不同子晶格上的磁矩反平行排列，但由于磁矩大小不相等，导致宏观上仍存在净磁化的现象。 其他磁性现象： 简要介绍超顺磁性、自旋玻璃等更复杂的磁性行为。 第三部分：磁光效应的物理基础与理论模型 本部分将聚焦于材料的磁光响应，即材料在磁场作用下表现出的对光的偏振、强度或传播方向的改变。我们将从基本的光与物质相互作用理论出发，建立描述磁光效应的物理模型。 光与物质的相互作用： 回顾电磁波与介质的相互作用，包括光的吸收、反射、透射以及折射等基本现象。我们将从经典电磁学和量子电动力学角度来理解这一过程。 磁场对电子能级的影响： Zeeman 效应： 详细阐述外部磁场如何导致原子或固体中电子能级发生劈裂，以及这种劈裂如何影响材料的光学性质。 Faraday 效应 (法拉第效应)： 重点分析当线偏振光穿过磁化介质时，其偏振面发生旋转的现象。我们将推导描述法拉第旋转角与材料磁化强度、光波长及光程之间关系的公式，并讨论其微观机制，例如磁场引起的电子跃迁振幅和相位的改变。 Kerr 效应 (克尔效应)： 介绍当光照射到磁性材料表面并发生反射时，反射光的偏振状态发生改变的现象。我们将区分磁畴克尔效应 (Magneto-optical Kerr Effect, MOKE) 和磁致旋光克尔效应 (Magneto-optical Kerr Effect, MOKE)，并讨论其在材料表征中的应用。 Cotton-Mouton 效应 (棉-木通效应) / Voigt 效应： 描述当磁场垂直于传播方向，且与光的偏振方向平行或垂直时，引起的介质双折射效应。 微观理论模型： 偶极近似： 在描述光与物质相互作用时，我们将采用偶极近似，将光的电场视为均匀的，只考虑其对电子运动的驱动作用。 跃迁偶极矩： 介绍描述光诱导电子跃迁强度的跃迁偶极矩，以及磁场如何影响这些偶极矩的方向和大小。 介电常数张量： 阐述在磁场作用下，材料的介电常数将变成一个张量，描述了材料在不同偏振方向上对光的响应差异，这是理解磁光效应的数学工具。我们将分析磁光效应如何导致介电常数张量的非对角元素非零。 量子化的能带与跃迁： 将之前的电子结构计算结果与光相互作用相结合，分析在磁场作用下，能带结构的变化如何导致光学吸收边、折射率等随磁场和偏振的变化。 第四部分：计算方法与仿真模拟 本部分将指导读者如何将前几部分建立的理论框架转化为可执行的计算步骤，并通过仿真模拟来预测和分析材料的磁光性质。 第一性原理计算与磁光性质： 自洽场计算与磁化强度： 介绍如何通过第一性原理计算获得材料的自洽电子结构，并从中提取材料的总磁矩以及各原子的磁矩分布，从而得到材料的宏观磁化强度。 光学性质的计算： 阐述如何基于计算得到的电子结构（能带、态密度、色散关系等）来计算材料的光学参数，例如介电函数、吸收光谱、折射率等。 磁光效应的计算： 重点介绍如何将外部磁场耦合到第一性原理计算中，或者在计算光学性质时引入磁场依赖项，从而计算出法拉第旋转角、克尔旋转角和退偏角等磁光参数。我们将详细介绍相应的计算流程和关键技术，例如在 DFT 计算中引入 Zeeman 劈裂，或者通过线性响应理论计算光学性质的磁场导数。 Bloch 理论与磁光性质： 讨论如何利用 Bloch 理论来计算周期性固体中的磁光性质，以及 Bloch 向量和磁场在其中的作用。 仿真软件的应用： 详细介绍如何使用具备磁光计算功能的专业软件（如 Lumerical, COMSOL 等）进行仿真。我们将从建立几何模型、定义材料参数、设置仿真边界条件到分析仿真结果，进行详细的指导。 理论与实验的结合： 强调理论计算和仿真模拟在理解和预测材料磁光性质中的重要作用，并鼓励读者将计算结果与实验测量进行比对，以验证理论模型的准确性并指导新的实验探索。 通过对本书内容的系统学习，读者将能够建立起对固体材料电子结构、磁性起源以及磁光效应的全面而深入的理解。这不仅有助于掌握分析和预测材料性质的理论工具，更能激发对新型功能材料的探索和设计。本书旨在为材料科学、凝聚态物理、光学工程等领域的科研人员和学生提供一份扎实的理论基础和实用的计算指南。

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作为一个实验物理背景的研究人员，我最看重的是理论工具与实际测量结果的对应关系，这本书在这方面做得相当出色。它对各种光谱技术——比如软X射线吸收谱（XAS）和光发射谱（ARPES）——的理论解释框架描述得尤为到位。书中详细阐述了如何通过解析态密度（DOS）的变化来理解材料的电子结构，特别是当体系发生相变时，这些电子结构的演化轨迹是如何被理论模型成功预测的。举个例子，在讨论过渡金属氧化物中的电荷转移激发时，作者引入了多体微扰理论的概念，并展示了如何通过调整参数来拟合实验中观测到的峰位和强度差异。这种将抽象的薛定谔方程解与实验室里实际的数据曲线进行直接对话的能力，对于任何想将理论应用于指导实验或解释数据的学生或研究者来说，都是无价的。它不是一本只适合理论家的书，它更像是一座连接理论预测与实验观测的坚固桥梁。

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这本书的封面设计真是太引人注目了，那深邃的蓝色调，配上一些抽象的光影效果，让人一眼就能感受到其中蕴含的复杂性和深度。我本来以为这是一本纯粹的理论物理教材，但翻开扉页，那种严谨中带着一丝优雅的排版风格，立刻让我觉得，这可能不仅仅是一堆公式的堆砌。作者似乎非常注重概念的清晰传达，尽管主题本身就相当硬核，但图表的质量和注释的详尽程度，都显示出一种想要“手把手”引导读者的诚意。我特别留意了前几章，它们对晶体场理论和能带结构的引入非常流畅，没有那种突兀的理论跳跃感。对于初次接触固体物理的读者来说，这种循序渐进的方式无疑是巨大的福音。当然，深入到更复杂的范畴，比如磁性相互作用的数学描述时，对读者的预备知识要求还是不低的，但即便如此，作者提供的背景回顾也足够扎实，为接下来的推导打下了坚实的基础。总的来说，从外观到内容的组织逻辑，都散发着一种经典教科书的气质，让人愿意沉下心来，慢慢啃食其中的知识。

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从装帧和印刷质量上来说，这本书完全对得起它所承载的内容的份量。纸张的选择很好，既能承载复杂的数学公式而不显得拥挤，又保证了长时间阅读时眼睛的舒适度。但更让我赞叹的是它在索引和交叉引用方面的设计。在涉及到磁性有序态的章节时，它会毫不犹豫地跳转回前面介绍的基本群论和对称性分析，确保读者不会因为遗忘了早期细节而卡住。此外，书后的参考文献列表也极为详尽，许多都是开创性的原始论文，这为希望深入研究特定课题的读者指明了清晰的“溯源”路径。这本书绝不仅仅是知识的集合，它更像是一个精心构建的知识生态系统，每一个元素都与其他元素紧密相连，共同支撑起对固体电子结构与磁光特性的全面理解。对于任何想在这一领域做出深入贡献的人来说，它都应该被视作一本案头常备的“工具箱”和“地图集”。

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这本书的叙述风格非常独特，它不像某些著作那样追求极致的简洁和数学的优雅，反而更倾向于一种细致入微的、甚至是略带哲思的探讨。在讲解诸如自旋轨道耦合（SOC）如何重塑能带拓扑结构时，作者用了不少篇幅去辨析不同近似下的物理图像差异，这使得读者在面对实际复杂材料（比如二维材料）时，能更审慎地选择最合适的理论模型。我特别喜欢其中几处对“近似的艺术”的探讨——它提醒我们，物理模型永远是对现实的简化，而理解哪个近似在何时何地失效，比单纯掌握公式本身更为重要。这种对物理直觉培养的重视，远超出一本标准教科书的范畴，更像是一位经验丰富的大师在耳提面命。虽然这使得某些章节的阅读速度略慢，但其带来的思维深度和对物理本质的把握，是任何快速浏览都无法替代的。

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我最近一直在努力理解朗道-费米液体理论在强关联体系中的局限性，而这本书在探讨这个问题的处理方式上，给我带来了耳目一新的感觉。它没有仅仅停留在教科书式的处理上，而是巧妙地将宏观的热力学描述与微观的量子力学涨落结合起来，特别是在处理低维系统中的奇异行为时，展现了极高的洞察力。我特别欣赏它在介绍自旋密度波（SDW）和电荷密度波（CDW）时所采用的范式——从简单的哈密顿量出发，通过合理的近似，最终推导出形成有序态的条件。这种从简到繁的构建路径，极大地帮助我梳理了过去混淆不清的各个概念之间的内在联系。书中对计算方法论的介绍也十分到位，比如有限温度下的蒙特卡洛模拟在解决特定磁结构问题时的应用，虽然只是简要提及，但其对算法优势和局限性的精准概括，足以指导读者进行进一步的专业文献检索和学习。这种平衡了基础理论与前沿计算方法的编排，让这本书的实用价值大大提升。

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