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出版者:

作者:沙里

出品人:

页数:651

译者:

出版时间:2010-4

价格:75.00元

装帧:

isbn号码:9787510005770

丛书系列:

图书标签:

• 数学
• 物理
• 2011
• 量子群
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• 拓扑
• Hopf代数
• 入门教材

《拓扑凝聚态物理导论》 本书聚焦于凝聚态物理领域一个快速发展且极具前沿性的分支——拓扑物质态。 本书旨在为物理学、材料科学及相关交叉学科的研究生和高年级本科生提供一套系统、深入且兼具直观理解的教材。我们将超越传统能带理论的框架，深入探索物质在拓扑性质上的新颖行为，以及这些性质如何催生出宏观世界中前所未有的量子现象。 全书结构紧凑，内容循序渐进，共分十五章，力求在理论深度与物理图像之间取得最佳平衡。 第一部分：基础概念与数学工具（第1章至第4章） 本部分为后续复杂讨论打下坚实的理论基础，重点回顾和引入必要的数学和物理概念。 第1章：凝聚态物理的再审视与新视角 本章从晶体结构、晶格振动（声子）和电子的布洛赫理论出发，快速回顾经典凝聚态物理的核心概念。随后，引出系统对称性在描述物质性质中的核心地位，并引入规范场理论的基本思想，为理解拓扑不变量的生成机制做铺垫。着重讨论如何利用群论来分类能带结构，特别是对时间反演对称性和晶体动量空间的深入分析。 第2章：基础拓扑学回顾与物理应用 本章是对现代拓扑学（特别是代数拓扑）中与物理学直接相关的概念的系统梳理。重点介绍同调群和同伦群的基本概念，如基本群 $pi_1$ 和更高阶的同伦群。随后，将抽象的拓扑概念与物理可观测量的联系起来，例如利用Winding Number（缠绕数）来描述简单的二维系统中的电子局域化。本章强调拓扑不变量的鲁棒性——即它们对微小形变的不敏感性。 第3章：格林函数与有效理论 在处理复杂的相互作用系统之前，需要强大的数学工具。本章详细介绍格林函数（关联函数）在凝聚态物理中的应用，包括单粒子和多粒子情况。重点讲解如何利用路径积分形式构建有效低能理论，特别是Hubbard-Stratonovich 变换和平均场近似在非平庸拓扑系统中的应用，为理解拓扑相的稳定机制奠定基础。 第4章：晶体动量空间中的拓扑不变量 这是连接对称性与拓扑的核心章节。系统介绍Chern 数（陈数）的数学定义及其物理意义，例如在量子霍尔效应中的直接体现。详细讨论如何利用Berry 几何相位（贝里相）来计算陈数，包括 Berry 曲率的定义及其在布里渊区上的积分。此外，还将讨论 $mathbb{Z}_2$ 不变量（$mathbb{Z}_2$ 拓扑不变量）的初步概念，为后续的绝缘体讨论做准备。 第二部分：拓扑绝缘体与半金属（第5章至第9章） 本部分专注于无相互作用或弱相互作用体系中，拓扑性质如何重构传统的绝缘体和金属概念。 第5章：二维拓扑绝缘体：量子霍尔效应的精确描述 本章深入解析整数量子霍尔效应（IQHE）的微观理论。详细推导TKNN 模型的哈密顿量，并严格证明陈数与边缘态的严格关系（边缘-体对应原理的最初体现）。讨论实验中观测到的量子霍尔平台和精确的电导率量子化。 第6章：拓扑绝缘体的突破：$mathbb{Z}_2$ 理论 重点介绍时间反演对称的拓扑绝缘体（TR-invariant Topological Insulators）。详细阐述如何引入Kramers 简并来保护拓扑性。利用Fu-Kane 理论，系统推导二维 $mathbb{Z}_2$ 拓扑不变量的计算方法，并解释拓扑相变是如何发生的。 第7章：三维拓扑绝缘体与表面态 将 $mathbb{Z}_2$ 拓扑不变量推广到三维系统。详细分析狄拉克点在三维布里渊区中的分布。着重讨论三维拓扑绝缘体的标志性特征——受时间反演保护的拓扑表面态，包括其线性色散关系和自旋-动量锁定（Spin-Momentum Locking）的特性，及其在电子自旋输运中的潜在应用。 第8章：拓扑半金属：狄拉克与外尔费米子 本章探讨拓扑保护的简并点，即拓扑半金属。详细分析狄拉克半金属中四重简并点的形成机制，以及它们如何通过微小扰动（如对称性破缺）演化为外尔半金属（Weyl Semimetals）。侧重于外尔点（Weyl Points）作为单极磁荷的拓扑性质，以及由此引发的纵向磁电阻效应。 第9章：拓扑晶格模型与有效哈密顿量 本章侧重于构建具有特定拓扑性质的晶格模型，如Kitaev 模型（用于理解自旋液体）和各种高维模型。讨论如何通过模型参数的连续变化实现拓扑相变，并引入Jordan-Wigner 变换等工具将自旋系统映射到费米子系统，以更好地理解其拓扑属性。 第三部分：拓扑超导与手性现象（第10章至第12章） 本部分将物理焦点转向费米子配对系统，探讨拓扑保护的超导态及其激发态。 第10章：拓扑超导体的分类与基本性质 介绍巴丁-库珀对（BCS）理论的拓扑推广。根据对称性保护，详细介绍基于Altland-Zirnbauer 分类（Altland-Zirnbauer classification）的拓扑超导体的分类方案（A, AIII, BDI 等）。重点阐述p波超导体（如Kitaev链）作为最简单的拓扑超导体的性质。 第11章：马约拉纳费米子与边缘零能模 本章深入探讨拓扑超导体的核心激发态——马约拉纳费米子（Majorana Fermions）。解释马约拉纳费米子作为自身反粒子的特性。分析在一维 p 波超导体（Kitaev 链）的两端如何出现受保护的零能模式，以及在二维拓扑超导体表面和涡旋核心中马约拉纳模的出现。讨论这些模的非阿贝尔（Non-Abelian）统计特性。 第12章：磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应 本章探讨引入磁性如何破开车尔对称性，从而在无外磁场下实现量子反常霍尔效应（QAHE）。详细分析磁性对 Chern 数的影响，以及磁化如何驱动系统从普通绝缘体进入拓扑相。讨论磁性拓扑绝缘体的实验实现与挑战。 第四部分：拓扑相互作用系统与前沿（第13章至第15章） 本部分将讨论当前研究中最具挑战性的领域：相互作用对拓扑性质的深刻影响。 第13章：分数量子霍尔效应与拓扑序 本章介绍比整数霍尔效应更复杂的分数量子霍尔效应（FQHE）。引入拓扑序（Topological Order）的概念，解释它如何超越传统对称性破缺理论。通过Laughlin 波函数的例子，阐释分数量子霍尔态中的激发态携带分数电荷和非阿贝尔统计。 第14章：张量网络与数字化拓扑序 介绍现代数值模拟工具——张量网络态（Tensor Networks），特别是Matrix Product States (MPS)。解释 MPS 如何自然地编码一维拓扑序的性质。重点介绍MERA（Multi-scale Entanglement Renormalization Ansatz）在描述长程纠缠和识别高维拓扑相中的作用。 第15章：拓扑光子学与模拟 将拓扑概念从电子系统扩展到光子系统。讨论如何通过设计具有特定几何结构或周期性的介质来模拟拓扑绝缘体和拓扑声子晶体。重点分析光子系统中的拓扑边界态，以及它们在光单向传输和抗散射损耗方面的应用潜力。 本书特点： 强调物理图像： 尽管涉及高深的数学工具，但每一步推导都紧密联系到可观测的物理现象。 综合性强： 覆盖了自旋电子学、超导、量子计算前沿等多个领域的基础理论。 面向前沿： 对非阿贝尔统计、张量网络等最新研究方法给予充分的介绍。 本书适合作为深入研究凝聚态物理、量子信息科学或固体物理方向的必备参考书。

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