Nanotechnology and Its Applications pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Salamin, Y. i (EDT)/ Hamdan, N. W. (EDT)/ Al-Awadhi, H. (EDT)/ Jisrawi, N. M. (EDT)/ Tabet, N. (EDT)

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:2007-9

价格:$ 129.95

装帧:

isbn号码:9780735404397

丛书系列:

图书标签:

• 纳米技术
• 应用
• 科学
• 材料科学
• 工程学
• 化学
• 物理学
• 新兴技术
• 纳米材料
• 技术创新

量子世界的奥秘：前沿物理与材料科学的交汇点 内容提要： 本书深入探索了凝聚态物理、量子场论以及新型功能材料的尖端研究领域，旨在为物理学家、材料科学家以及对基础科学前沿有浓厚兴趣的读者提供一个全面而深入的视角。我们摒弃了对纳米尺度的直接应用叙事，转而聚焦于支撑这些前沿技术的深层物理机制与理论框架。全书结构严谨，从微观粒子的基本行为模式入手，逐步深入到复杂多体系统的量子纠缠与相变，最终探讨了拓扑材料、超导电性以及强关联电子系统的最新进展。本书强调理论模型的建立与实验现象的精确关联，力求揭示自然界在极端条件下的基本规律。 第一部分：基础理论的重塑与深化 本部分致力于夯实读者对现代物理学核心概念的理解，特别是那些在理解宏观世界向微观世界过渡时至关重要的理论基石。 第一章：从薛定谔方程到有效场论 本章首先回顾了非相对论量子力学的基本公设，重点分析了波函数在描述多粒子系统时的局限性。随后，内容迅速转向量子场论（QFT）的初步介绍，强调其作为描述基本粒子相互作用和物质性质的强大框架的必要性。我们详细讨论了如何从微观的量子力学框架过渡到描述宏观现象的有效场论（EFT）。EFT的核心思想——即不同能量尺度下的物理现象可以被独立描述——是理解复杂系统简化模型的关键。本章通过具体的案例分析，如低能有效哈密顿量的构建，展示了理论物理学家如何通过恰当的截断和重整化群（RG）思想，从冗余的微观自由度中提取出支配宏观行为的有效自由度。重点探讨了在研究固体物理系统时，如何使用费米子场和玻色子场的概念来描述电子的集体激发和晶格的振动模式。 第二章：多体相互作用与平均场方法的局限性 现代材料科学的许多挑战源于电子之间的强关联效应。本章深入剖析了多体问题（Many-Body Problem）的复杂性，指出在大多数情况下，精确求解N个粒子的薛定谔方程是不可行的。我们详细考察了Hartree-Fock近似及其缺陷，特别是其对电子间交换作用的局限性。随后，篇幅集中于描述对强关联系统至关重要的理论工具：Hubbard模型。Hubbard模型的不同极限（强耦合与弱耦合）如何对应于不同的物理状态，如反铁磁性（Antiferromagnetism）和金属-绝缘体转变（Mott Transition），被作为核心案例进行剖析。此外，本章还介绍了密度泛函理论（DFT）在计算电子结构中的地位，并批判性地分析了当前泛函在处理自相互作用误差和关联能方面的挑战。 第二部分：物质相位的拓扑学革命 本部分的核心在于介绍拓扑学概念如何深刻地改变了我们对物质相位的理解，超越了传统的对称性破缺理论。 第三章：对称性、序参量与拓扑不变量 传统的相变理论（朗道理论）依赖于对称性破缺和序参量来描述物质相位的变化。本章系统梳理了这些经典概念，但很快将焦点转向拓扑序（Topological Order）。我们介绍了布洛赫定理在周期性势场中的应用，以及如何通过能带理论来理解绝缘体和金属。随后，本章引入了拓扑不变量——一个在系统连续形变下保持不变的数学量——作为区分不同相位的全新工具。通过对二维电子气的整数朗道能级进行分析，本章引入了陈数（Chern Number）的概念，解释了它如何精确地量化了量子霍尔效应中的导电平台。 第四章：拓扑绝缘体与拓扑超导体 本章是关于新型拓扑材料的深入研究。我们详细阐述了拓扑绝缘体（TIs）的物理本质：内部是绝缘体，但其表面或边缘却存在受拓扑保护的、无能隙的导电态。这被归因于强自旋轨道耦合（SOC）与时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）的协同作用。本章剖析了二维和三维拓扑绝缘体的能带反演机制。紧接着，我们探讨了拓扑超导体的概念，预测了无能隙的马约拉纳费米子（Majorana Fermions）在拓扑超导体边缘的出现潜力，并讨论了如何通过构建异质结（如半导体纳米线与超导体耦合）来间接探测这些非阿贝尔任意子的存在。 第三部分：集体激发与量子相变的高级主题 本部分聚焦于物质在特定条件（如低温、高压）下表现出的奇异宏观量子现象，重点分析了激发态的动力学行为。 第五章：量子涨落与临界现象的重整化群分析 临界点是物理学中最引人入胜的区域之一，此时系统的所有尺度都变得同等重要。本章深入讨论了利用重整化群（RG）方法来处理临界现象。我们阐述了RG变换的物理意义：通过逐步消除高能尺度的自由度，揭示系统在不同尺度下的标度不变性。重点分析了二维伊辛模型（Ising Model）和三维Ising模型的临界指数，并解释了为什么不同维度和不同对称性的系统，如果共享相同的上临界维度（Upper Critical Dimension）和对称性特征，它们的临界行为会“普适”地收敛。本章还简要涉及了非平衡态下的量子涨落，如有限温度下的量子蒙特卡洛模拟的挑战。 第六章：强关联电子系统中的奇异金属态 “奇异金属”（Strange Metals）是指那些不服从标准费米液体理论描述的导体，它们表现出线性依赖于温度的电阻率（$ ho propto T$）等特征。本章将这些现象置于强关联物理的背景下进行探讨。我们深入分析了量子临界点（Quantum Critical Point, QCP）的概念，即在绝对零度下发生的量子相变，以及QCP附近如何驱动奇异金属行为。本章详细讨论了后费米液体（Post-Fermi Liquid）理论的初步尝试，包括$z=2$的耗散动力学以及与黑洞信息悖论相关的AdS/CFT对偶在理解某些强关联系统极限行为中的潜在启发。本书强调，奇异金属的本质可能在于电子的“胶水”——可能是磁性或电荷密度波的竞争性涨落——使其无法形成稳定的准粒子。 第七章：超导电性的非传统机制 传统BCS理论成功地解释了许多常规超导体，但无法涵盖高温超导（HTS）等反常现象。本章专注于非传统超导机制的理论探索。我们详细分析了铜氧化物（Cuprates）和铁基超导体（Iron-based Superconductors）中的反常电子结构，特别是“$d$-波”配对对称性的理论根源。我们探讨了磁性涨落作为配对媒介的可能性，以及在这些系统中可能存在的“莫特绝缘体”与超导态之间的密切联系。本章还简要介绍了无库仑作用的非费米液体模型如何可能导致$d$-波配对的出现，强调了电子-电子相互作用的复杂非线性效应在决定配对机制中的关键作用。 结论：理论的边界与未来的挑战 本书最后总结了当前凝聚态物理学前沿面临的重大挑战：如何建立一个统一的理论框架来描述强关联系统的所有相态，特别是奇异金属、拓扑物质和高温超导现象。我们展望了计算物理学（如张量网络态和更高阶的RG方法）在解决这些复杂问题中的潜力，并强调了理论物理学与实验观测紧密结合的重要性。 目标读者： 理论物理、凝聚态物理、材料科学、量子信息科学的研究人员、博士生以及对微观世界底层规律有深刻探究欲望的专业人士。

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