Solid State Theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Rossler, Ulrich

出品人:

页数:398

译者:

出版时间:

价格:1126.00元

装帧:Paperback

isbn号码:9783540927617

丛书系列:

图书标签:

• 固体物理
• 凝聚态物理
• 固体理论
• 晶体结构
• 能带理论
• 半导体物理
• 材料物理
• 量子力学
• 物理学
• 电子结构

好的，这里为您构思了一份不涉及“Solid State Theory”的图书简介，专注于物理学、材料科学或相关领域内其他主题的深度探讨。考虑到您要求字数在1500字左右，并且内容要详尽、自然，我将聚焦于一个假设的、同样具有深度和广度的物理学主题——《凝聚态物质的拓扑序与量子输运》。 --- 图书名称：《凝聚态物质的拓扑序与量子输运：从理论前沿到实验观测》 导言：超越传统能带论的疆界 自二十世纪初量子力学奠基以来，凝聚态物理学一直是探索物质世界复杂行为的核心战场。经典的能带理论成功地描述了绝缘体和金属的宏观性质，但面对日益精密的实验技术，我们观察到的许多现象，如强关联体系中的反常霍尔效应、二维材料中的分数电荷、以及新型拓扑材料中的保护性边缘态，都无法仅用传统的朗道费米液体理论来解释。 本书正是在这一历史转折点上应运而生。它旨在构建一座坚实的桥梁，连接理论物理的抽象数学结构与凝聚态物质内部涌现出的奇特量子序。我们不再满足于仅仅对电子的局域描述，而是深入探讨拓扑不变量如何精确地刻画宏观物态，以及这种拓扑保护如何影响物质的量子输运性质。 本书的叙事结构兼顾了理论的严谨性与物理图像的直观性，面向有志于深入理解现代凝聚态物理前沿的本科高年级学生、研究生以及一线科研人员。 第一部分：拓扑序的数学基石与物理直觉（约 400 字） 第一部分将为读者打下坚实的理论基础，侧重于将抽象的数学概念转化为可操作的物理图像。 第一章：对称性、序参量与拓扑不变量的引入 我们从彭茨林（Peierls）的晶体对称性群分类入手，回顾朗道范式，并指出其在描述非平衡或非传统的有序态时的局限性。随后，重点介绍拓扑序这一概念的提出背景，特别是与分数霍尔效应和任意子（Anyons）相关的理论探索。我们将详细阐述贝里相位（Berry Phase）在能带结构中的关键作用，并将其推广到对拓扑绝缘体中能带反转的描述。 第二章：同调论与同伦论在拓扑分类中的应用 拓扑序的本质在于其对局域涨落的鲁棒性。本章将引入代数拓扑中的核心工具——上同调理论（Cohomology Theory）。我们将以 Chern-Simons 理论为例，解释如何通过积分形式来定义拓扑不变量（如 Chern 数和 $mathbb{Z}_2$ 不变量），这些不变量在物理上对应着整数量子霍尔电导和拓扑绝缘体相。我们将避免冗长的数学推导，而侧重于阐述这些不变量如何保证了边缘态的非破坏性存在。 第三章：张量网络态与体-边对应 为了从微观的量子态描述出发，本章将引入张量网络态（Tensor Network States），特别是矩阵乘积态（MPS）和投影纠缠对态（PEPS）。这是描述低维和二维量子多体系统的有效语言。我们将详细论证体-边对应原理（Bulk-Boundary Correspondence）：体态中的拓扑性质如何必然地导致其边界上出现受保护的、无能隙的边缘态。这部分内容将清晰地展示拓扑序如何超越传统序参量的定义。 第二部分：拓扑相与量子输运的奇特关联（约 650 字） 第二部分是本书的核心，聚焦于拓扑物理如何重塑我们对电流、热流和电荷输运的理解。 第四章：拓扑绝缘体与拓扑半金属 深入探讨二维拓扑绝缘体（2D TIs，如量子自旋霍尔效应体系）和三维拓扑绝缘体（3D TIs）。我们将详细分析其受时间反演对称性保护的狄拉克表面态（Dirac Surface States）的性质，包括其狄拉克锥的结构和自旋-动量锁定机制。随后，转向拓扑半金属，如外尔（Weyl）和狄拉克（Dirac）半金属，解释其费米弧（Fermi Arcs）和零模式的物理起源，以及它们在磁场下表现出的非阿贝尔霍尔效应。 第五章：拓扑超导与马约拉纳零能模 本章探讨拓扑性质在超导系统中的体现。通过构建$mathbb{Z}_2$ 拓扑超导分类表，我们将分析何种哈密顿量和配对对称性能够产生拓扑超导相。重点讨论马约拉纳零能模（Majorana Zero Modes）在一维 $p$ 波超导体以及表面耦合的拓扑绝缘体/超导体异质结中的出现。我们将推导出其无能隙的、非费米子的性质，并探讨其在拓扑量子计算中的潜在应用，即通过任意子编织实现容错计算的设想。 第六章：量子反常霍尔效应与热输运 量子反常霍尔效应（QAHE）是拓扑物理走向宏观输运的标志性现象。本章将分析在缺乏外加磁场的情况下，二维材料（如掺杂的 $ ext{Cr}$-掺杂 $ ext{HgTe}$ 量子阱）如何实现整数量子霍尔电导。我们将对比传统量子霍尔效应与 QAHE 在能带结构上的根本区别。此外，还将延伸讨论拓扑性质对热输运的调控，例如拓扑材料中热电导的非局域效应。 第七章：手性异常与非阿贝尔霍尔效应的实验观测 理论的验证依赖于精确的输运测量。本章回顾近年来关键的实验进展。特别关注如何通过扫描隧道显微镜 (STM) 观测到拓扑边缘态的密度态，以及如何通过高精度电输运测量确定霍尔角和霍尔电导的精确值。对于 Weyl 半金属，我们将重点分析如何通过霍尔电导率的角度依赖性来区分外尔点之间的手性异常（Chiral Anomaly）贡献。 第三部分：强关联、高维系统与未来展望（约 450 字） 第三部分将把视角拓展到更复杂、更具挑战性的领域，讨论拓扑序在强关联体系和更高维度中的表现。 第八章：强关联系统中的拓扑相 在强关联电子体系中，电子间的相互作用效应与拓扑序的构建不再是简单的叠加。本章将探讨分数电荷（Fractional Charges）与任意子如何出现在分数量子霍尔态中。我们将通过刘维尔-维格纳函数的思想，解释集体激发如何表现出分数激发，以及如何利用有效场论来描述这些高度纠缠的量子液态。 第九章：高阶拓扑相与新奇边界态 传统的拓扑绝缘体（即一维边界态的保护）在数学上是明确的。本章将介绍高阶拓扑相（Higher-Order Topological Phases, HOTIs）的概念，即系统在 $d$ 维空间中具有 $(d-2)$ 维或更低维度的保护性边界态（如角态或脊态）。我们将以 $Z_2$ 序参量在不同维度上的推广为例，阐述如何通过规范选择和边界条件来激发这些“更深层”的拓扑结构。 第十章：实验合成与未来挑战 本书的收官部分将面向未来。我们将讨论目前合成和操控新型拓扑材料的挑战，包括但不限于：如何稳定和隔离马约拉纳零能模；如何设计能够清晰区分拓扑与非拓扑序的普适性实验判据；以及如何利用拓扑材料构建高效的量子器件。我们还将简要展望拓扑自旋电子学和拓扑热电学在能源和信息技术领域的广阔前景。 --- 总结 《凝聚态物质的拓扑序与量子输运》不仅仅是一本教科书，更是一份对凝聚态物理学深刻变革的记录。它摒弃了过时的局域图像，拥抱了量子纠缠和拓扑不变性所带来的全新物理世界，为读者提供了理解和探索下一代物质特性的必备工具集。

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这本书的语言风格，虽然是技术性的，但却带着一种近乎诗意的严谨。特别是关于晶格动力学的章节，作者在解释声子色散关系时，所用的比喻和类比，非常贴合直觉，有效地克服了涉及大量矢量和张量的抽象带来的阅读障碍。例如，他将晶格的集体激发比作“宇宙中的交响乐团”，不同的声学和光学支对应着不同的演奏声部，这种比喻让原本冰冷的数学公式瞬间“活”了起来。在处理热力学性质时，书中对统计力学的应用展现了极高的驾驭能力，从量子统计到玻尔兹曼方程的推导过程流畅自然，中间没有生硬的转折。即便是对一些复杂的输运系数的计算，作者也提供了一个非常清晰的路线图，引导读者沿着最符合物理直觉的路径前进。这本书最吸引我的地方在于它的“完备性”和“前瞻性”的平衡。它在夯实经典固体物理基础的同时，又适时地引入了超导理论、低维系统等更现代的主题，使得读者在合上书卷时，不会感到知识的终结，而是对未来物理图景充满了向往和探索的动力。它是一部值得反复研读的经典之作，每一次重读都会有新的感悟。

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读完这本书，最大的感受是其对“关联”的强调，这突破了许多早期教材仅关注独立电子模型的局限。作者在讨论相变和临界现象时，引入了平均场理论作为起点，但随即就指出了其局限性，并通过引入重整化群思想，展示了如何从微观涨落中涌现出宏观的普适性标度律。这种对理论框架内在缺陷的诚实揭示和后续的精妙修正，体现了作者极高的学术良知和对前沿进展的敏锐洞察力。书中对介电性质和铁电性的讨论，尤其细腻，它将宏观的电极化率与晶格的软模振动紧密联系起来，揭示了结构不稳定是如何导致奇异电学行为的。很多概念的引入都紧扣最新的实验进展，比如对拓扑绝缘体的简要介绍，虽然篇幅有限，但其对时间反演对称性保护下的边缘态的描述，简洁有力，足以激发读者进一步探索该领域的热情。这本书的价值在于，它不仅教会了我们如何“计算”，更教会了我们如何“思考”——思考在不同尺度和能量下，物质的物理图像会发生怎样的质变。它培养的是一种对物理世界多层次结构的敬畏感。

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这本书的深度和广度，远超我预期的固体物理教材范畴。它并非仅仅停留在描述材料的静态性质，而是着重于动态过程和相互作用。例如，在处理半导体物理时，作者对载流子输运理论的阐述，不仅仅局限于经典的漂移和扩散，而是深入探讨了散射机制的微观本质，如声子散射、杂质散射以及电子-电子散射的相对贡献。那种对不同温度、不同掺杂浓度下迁移率变化的详细分析，简直可以作为进行半导体器件模拟的直接参考手册。更值得称赞的是，书中对磁性理论的论述，从朗之万顺磁到居里-外斯定律，再到更深层次的交换相互作用和自旋波理论，衔接得天衣无缝。特别是对磁畴结构的描述，结合了热力学和弹性理论的观点，展现了多物理场耦合分析的魅力。阅读这些章节，我感受到的不仅是知识的灌输，更是一种科学思维的训练——如何在复杂系统中，通过抓取主要矛盾和关键相互作用，建立一个既简化又足够精确的模型。这种高屋建瓴的视角，对于任何希望从事凝聚态物理研究的人来说，都是无价之宝。

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这部书，初翻时便觉其文字如同一幅幅精密的电路图，每一个符号、每一个公式都蕴含着深邃的物理哲理。作者在阐述晶格振动时，那种对声子概念的细腻描摹，简直让人仿佛能“听见”原子在晶格中和谐共振的旋律。他并没有满足于仅仅罗列理论公式，而是花了大量篇幅去解释这些抽象概念是如何从实际的实验观测中提炼出来的，这极大地增强了理论的可信度和读者的代入感。比如，在讨论布洛赫定理和能带结构时，那种层层递进、抽丝剥茧的论证方式，使得即便是初次接触固体物理的读者，也能逐步领会到电子在周期性势场中运动的奇妙规律。特别是关于费米面附近电子行为的讨论，作者引入了非常直观的类比和生动的图像，将复杂的量子力学图像转化为可理解的物理图像，这在许多同类教材中是少见的。书中对低能激发态的分析尤为精彩，将复杂的多体问题巧妙地简化为准粒子图像，这种处理方式的优雅性，让人在阅读过程中不禁拍案叫绝。尽管涉及到高深的数学工具，但作者始终保持着对物理图像的绝对忠诚，确保了理论推导的每一步都服务于最终对物质特性的深刻理解。这本书不仅仅是一本教科书，更像是一部引领我们探索微观物质世界的“地图集”，清晰地标示了从有序到无序、从宏观到微观的每一个关键节点。

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这本书的排版和图示设计，体现了编者对阅读体验的极致追求。那些复杂的晶体结构示意图，色彩的运用和层次的区分都拿捏得恰到好处，使得原本晦涩难懂的倒易空间几何结构，瞬间变得立体而清晰。尤其欣赏的是，作者在引入新概念时，总是会先回顾相关的经典物理背景，比如从经典电动力学中的自由电子模型到量子化的德鲁德模型，再到最终的索末菲模型，这种历史性的铺陈，让读者明白知识的积累并非一蹴而就，每一步飞跃都凝聚了前辈科学家的心血。阅读过程中，我多次被其严谨的逻辑链条所折服，从最基本的假设出发，每一步的逻辑推导都如同精准校准的时钟，没有丝毫的冗余或跳跃。对于缺陷物理的讨论，作者采取了一种“由简入繁”的策略，从点缺陷的能级计算开始，逐步过渡到更复杂的位错和晶界。这种循序渐进的教学方法，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。坦白说，以往阅读一些理论书籍时，常常会因为一个关键步骤的缺失而卡住，但在这本书里，这种“断裂感”几乎从未出现，仿佛有一位耐心的导师全程陪同，随时准备在读者困惑时提供及时的点拨。

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