凝聚态物理学 上卷PDF电子书下载

综览 1

0.1 物质世界的层次化 1

0.1.1 20世纪的物理学 1

0.1.2 简单性与复杂性 3

0.1.3 层展现象 5

0.2 凝聚态物理学的范围 8

0.2.1 理论方法：量子力学与经典物理 8

0.2.2 凝聚现象 9

0.2.3 有序化 11

0.3 凝聚态物理学的历史透视与概念框架 12

0.3.1 固体物理学的范式 13

0.3.2 键与能带——从单电子近似走向关联电子态 15

0.3.3 合作现象及其它 17

0.3.4 凝聚态物理学的范式 18

参考文献 22

第一编 凝聚物质的结构 27

第一章 结构的对称性 27

1.1 关于对称性的基本概念 27

1.1.1 对称及对称操作 27

1.1.2 对称元素的组合定理 30

1.1.3 对称群 32

1.1.4 对称群的表示 33

1.2 有限结构与点群 34

1.2.1 对称轴的组合规则 35

1.2.2 循环群与二面体群 35

1.2.3 正多面体与立方点群 36

1.3 周期结构和空间群 39

1.3.1 周期结构和晶格 40

1.3.2 Bravais格 41

1.3.3 空间群 42

1.3.4 晶体结构的描述 44

1.4 物质结构和其Fourier变换 46

1.4.1 普遍情形 46

1.4.2 倒格 47

1.4.3 周期结构的Fourier变换 48

1.5 广义对称性 49

1.5.1 高维空间群 49

1.5.2 色群 49

1.5.3 倒空间的对称性 50

1.5.4 对称性的其它推广 51

参考文献 51

第二章 晶态结构及其构筑原理 52

2.1 堆积结构与相关问题 52

2.1.1 二维空间的拼砌、堆积和覆盖 52

2.1.2 三维空间的堆积和覆盖 54

2.1.3 结构中的空隙和相关问题 55

2.2 键连结构和相关问题 59

2.2.1 键连结构 59

2.2.2 氧化物的结构 60

2.2.3 结构族 61

2.3 曲面与曲率 62

2.3.1 曲面的曲率 63

2.3.2 Euler公式与Gauss-Bonnet公式 63

2.3.3 曲面概述 65

2.3.4 Fuller烯和相关的结构 66

2.4 准周期结构 68

2.4.1 无理数与准周期函数 69

2.4.2 一维准周期结构 69

2.4.3 二维周期结构的投影 71

2.4.4 二维准周期结构 73

2.4.5 三维准周期结构 75

2.4.6 基本概念的讨论 77

参考文献 78

第三章 晶态之外 79

3.1 合金与取代无序 79

3.1.1 有序与无序的合金 79

3.1.2 分布函数与关联函数 81

3.2 液体与玻璃 82

3.2.1 概述 82

3.2.2 统计描述 83

3.2.3 非晶态的结构模型 86

3.3 液晶 89

3.3.1 概述 89

3.3.2 向列相和胆甾相 89

3.3.3 近晶相和柱状相 92

3.3.4 溶致液晶及其它 93

3.4 聚合物 95

3.4.1 结构和构型 95

3.4.2 无规线团与溶胀线团 97

3.4.3 单链的关联函数及其实验测定 99

3.4.4 有序与部分有序结构 101

3.5 生物聚合物 103

3.5.1 核酸的结构 103

3.5.2 蛋白质的结构 104

3.5.3 信息与结构 106

参考文献 106

第四章 非均质结构 108

4.1 复相结构 108

4.1.1 结构层次与多层次结构 108

4.1.2 非均质材料的微结构特征 111

4.1.3 有效介质近似：二相合金微结构与物性关联问题处理实例 114

4.2 结构的几何相变：逾渗 116

4.2.1 键逾渗与座逾渗 116

4.2.2 逾渗理论概述 117

4.2.3 逾渗的实例 119

4.3 分形 120

4.3.1 理想分形与分形维数 121

4.3.2 实际的分形 122

4.3.3 自仿射分形 124

4.3.4 多重分形的基本概念 125

参考文献 128

第二编 各种物质结构中波的行为 133

第五章 周期和准周期结构中波的传播 133

5.1 波传播概念的统一性 133

5.1.1 波方程和周期势 133

5.1.2 Bloch波 135

5.1.3 经典波研究的复兴 136

5.2 晶体中的电子 137

5.2.1 自由电子气模型 137

5.2.2 近自由电子模型 138

5.2.3 紧束缚电子模型 140

5.2.4 超晶格的Kronig-Penney模型 142

5.2.5 态密度和维度性 143

5.3 格波与弹性波 145

5.3.1 格波的色散关系 145

5.3.2 格波的频谱 148

5.3.3 周期复合介质中的弹性波-声子晶体 150

5.4 周期结构中的电磁波 151

5.4.1 层状周期介质中的光子带隙 151

5.4.2 X射线动力学衍射 153

5.4.3 光子晶体的能隙 156

5.4.4 非线性光学晶体的准相位匹配 160

5.5 准周期结构中的波 162

5.5.1 一维准晶的电子能谱和波函数 162

5.5.2 人工Fibonacci结构中波的透射 164

5.5.3 实际准晶的赝能隙 166

参考文献 168

第六章 Bloch电子动力学 169

6.1 能带电子的基本性质 169

6.1.1 电子速度和有效质量 169

6.1.2 金属和非金属 171

6.1.3 空穴 173

6.1.4 金属中电子的比热容 174

6.2 电场中电子的运动 175

6.2.1 Bloch振荡 175

6.2.2 负微分电阻 177

6.2.3 Wannier-Stark梯 178

6.3 磁场中电子的运动 180

6.3.1 回旋共振 181

6.3.2 Landau量子化 183

6.3.3 de Haas-van Alphen效应 186

6.3.4 传导电子磁化率 189

参考文献 192

第七章 表面和杂质效应 194

7.1 表面电子态 194

7.1.1 金属表面的电子能量和密度 194

7.1.2 半导体表面态 199

7.2 电子杂质态 200

7.2.1 带电中心的屏蔽效应 201

7.2.2 电子局域模 203

7.2.3 电子自旋密度振荡 205

7.3 与表面及杂质相关的振动 206

7.3.1 表面振动 206

7.3.2 杂质振动模 208

7.4 光子晶体中的缺陷模 211

7.4.1 层状周期结构中的电磁表面模 211

7.4.2 点缺陷 212

7.4.3 线缺陷 214

参考文献 215

第八章 电荷输运和自旋输运 216

8.1 正常输运 216

8.1.1 Boltzmann方程 216

8.1.2 直流和交流电导率 218

8.1.3 金属电阻率的微观机制 220

8.1.4 半导体中的电输运 223

8.1.5 其它的输运系数 225

8.2 磁场中的电荷输运与自旋输运 226

8.2.1 经典Hall效应 226

8.2.2 Shubnikov-de Haas效应 228

8.2.3 正常磁电阻及其各向异性 231

8.2.4 自旋极化与自旋输运 234

8.2.5 铁磁金属的电阻率与磁电阻 237

8.3 隧穿现象 239

8.3.1 势垒透射 239

8.3.2 半导体超晶格的共振隧穿 241

8.3.3 电击穿和磁击穿 243

8.3.4 隧道磁电阻 246

8.3.5 扫描隧道显微术 247

参考文献 250

第九章 无序系统中波的定域化 252

9.1 定域化的物理图像 252

9.1.1 波定域化的简单演示 252

9.1.2 特征长度和特征时间 253

9.1.3 粒子扩散和定域化 255

9.2 弱定域化 256

9.2.1 增强背散射 256

9.2.2 依赖于尺寸的扩散系数 258

9.2.3 电导的干涉修正 260

9.3 强定域化 262

9.3.1 连续渗流模型 262

9.3.2 Anderson模型 263

9.3.3 迁移率边 265

9.3.4 Edwards模型 267

9.3.5 跳跃电导 268

9.3.6 光的强定域化 269

参考文献 272

第十章 介观量子输运 273

10.1 介观系统的特点 273

10.1.1 介观结构的界定 273

10.1.2 不同的输运区 274

10.1.3 量子通道 275

10.2 LandauerBüttiker型电导 277

10.2.1 Landauer公式 277

10.2.2 两端单通道电导 279

10.2.3 两端多通道电导 280

10.3 回路中的电导振荡 282

10.3.1 电子波函数的规范变换 282

10.3.2 金属环中的Aharonov-Bohm效应 283

10.3.3 持续电流 285

10.3.4 Altshuler-Aronov-Spivak效应 288

10.3.5 静电Aharonov-Bohm效应 289

10.4 电导涨落 290

10.4.1 电导的非局域性 290

10.4.2 磁场反转的倒易性 292

10.4.3 普适电导涨落 293

参考文献 296

第三编 键、能带及其它 299

第十一章 键途径 299

11.1 原子与离子 299

11.1.1 氢原子 299

11.1.2 多电子原子中的单电子近似 300

11.1.3 原子内的交换作用 303

11.1.4 Hund定则和离子磁矩 304

11.2 双原子分子 307

11.2.1 氢分子离子H＋ 2的精确解 307

11.2.2 分子轨道法 309

11.2.3 Heitler-London法 312

11.2.4 自旋Hamilton量和Heisenberg模型 314

11.3 多原子分子 315

11.3.1 多原子分子问题的分子轨道法 315

11.3.2 价键轨道 316

11.3.3 分子轨道方法的Hückel近似 318

11.3.4 一些分子的电子结构 320

11.4 各向异性环境中的离子 322

11.4.1 三种晶体场 322

11.4.2 过渡金属离子的晶场效应 323

11.4.3 Jahn-Teller效应 324

11.4.4 配位场中的离子 325

参考文献 327

第十二章 能带途径 329

12.1 能带计算的各种方法 329

12.1.1 正交平面波 329

12.1.2 赝势 331

12.1.3 糕模势与缀加平面波 333

12.1.4 能带的对称性和k.P方法 334

12.2 从多粒子Hamilton量到自洽场方法 335

12.2.1 多粒子Hamilton量 336

12.2.2 价电子近似和绝热近似 336

12.2.3 Hartree近似 338

12.2.4 Hartree-Fock近似 339

12.3 电子结构取径于密度泛函 341

12.3.1 从波函数到密度泛函 341

12.3.2 Hohenberg-Kohn定理 342

12.3.3 自洽Kohn-Sham方程 344

12.3.4 局域密度近似及其它 345

12.3.5 Car-Parinello方法 347

12.4 若干材料中的电子结构 348

12.4.1 金属 348

12.4.2 半导体 353

12.4.3 半金属 355

12.4.4 分子晶体 358

12.4.5 表面和界面 360

参考文献 363

第十三章 关联电子态 365

13.1 Mott绝缘体 365

13.1.1 理想化的Mott转变 365

13.1.2 Hubbard模型 367

13.1.3 动态交换和超交换 369

13.1.4 轨道序和自旋序 372

13.1.5 Mott绝缘体的分类 374

13.2 掺杂Mott绝缘体 376

13.2.1 Mott绝缘体的掺杂 376

13.2.2 铜氧化物 377

13.2.3 锰氧化物与双交换作用 380

13.2.4 电荷序和电子相分离 383

13.3 磁性杂质、近藤效应及相关问题 385

13.3.1 Anderson模型与局域磁矩 385

13.3.2 间接交换作用 387

13.3.3 近藤效应 388

13.3.4 重电子金属和相关材料 391

13.4 展望 394

13.4.1 一些经验规则 394

13.4.2 理论方法 396

参考文献 397

第十四章 量子限制纳米结构 398

14.1 半导体量子阱 398

14.1.1 电子子能带 398

14.1.2 空穴子能带 401

14.1.3 光吸收 403

14.1.4 耦合量子阱 405

14.2 磁量子阱 406

14.2.1 金属量子阱中的自旋极化 406

14.2.2 振荡磁耦合 408

14.2.3 巨磁电阻效应 411

14.3 量子线 415

14.3.1 半导体量子线 415

14.3.2 碳纳米管 417

14.3.3 金属台阶 419

14.4 量子点 421

14.4.1 金属团簇的幻数 421

14.4.2 半导体量子点 424

14.4.3 Fock-Darwin能级 426

14.4.4 Coulomb阻塞效应 428

14.4.5 近藤效应 431

14.5 耦合量子点系统 433

14.5.1 双量子点 433

14.5.2 半导体量子点超晶格 437

14.5.3 金属量子点列阵 438

参考文献 439

第四编 相变和有序相 443

第十五章 Landau相变理论 443

15.1 两个重要概念 443

15.1.1 对称破缺 443

15.1.2 序参量 445

15.1.3 统计模型 447

15.2 二级相变 449

15.2.1 自由能的级数展开 449

15.2.2 热力学量 451

15.2.3 具有复序参量的系统 452

15.3 弱一级相变 453

15.3.1 外场影响 453

15.3.2 Landau-Devonshire模型 454

15.3.3 Landau-de Gennes模型 457

15.3.4 序参量和应变的耦合 458

15.4 结构相变中对称性的改变 460

15.4.1 密度函数和表示理论 460

15.4.2 自由能泛函 462

15.4.3 Landau判据 463

15.4.4 Lifshitz判据 464

参考文献 466

第十六章 晶体、准晶和液晶 467

16.1 液-固相变 467

16.1.1 基于密度波的自由能展开 467

16.1.2 结晶 469

16.1.3 准晶 471

16.2 固体中的相变 473

16.2.1 无序-有序转变 473

16.2.2 顺电-铁电转变 476

16.2.3 无公度-公度转变 478

16.3 软物质中的相变 481

16.3.1 液晶相变的Maier-Saupe理论 482

16.3.2 液晶相变的Onsager理论 484

16.3.3 硬球系统的相分离 486

参考文献 488

第十七章 铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体 490

17.1 磁性的基本特征 490

17.1.1 磁性的主要类型 490

17.1.2 磁结构的空间图像 493

17.1.3 磁结构的能带图像 496

17.1.4 具有时间反演对称性的Hamilton量 501

17.2 局域磁矩理论 503

17.2.1 Heisenberg Hamilton量的平均场近似 504

17.2.2 铁磁转变 505

17.2.3 反铁磁转变 507

17.2.4 亚铁磁转变 509

17.2.5 铁磁和反铁磁基态 511

17.3 巡游电子磁性理论 514

17.3.1 Hubbard Hamilton量的分子场近似 514

17.3.2 铁磁性的Stoner理论 516

17.3.3 弱巡游铁磁性 520

17.3.4 自旋密度波与反铁磁性 522

参考文献 524

第十八章 超流体与超导体 525

18.1 宏观量子现象 525

18.1.1 Bose-Einstein凝聚的基本概念 525

18.1.2 稀薄气体的Boes-Einstein凝聚 528

18.1.3 液氦的超流性 530

18.1.4 各种物质的超导电性 534

18.2 Ginzburg-Landau的唯象理论 540

18.2.1 Ginzburg-Landau方程与对称破缺 540

18.2.2 穿透深度和相干长度 542

18.2.3 涡旋态的磁性质 544

18.2.4 各向异性超导体 546

18.3 配对态 548

18.3.1 广义Cooper对 548

18.3.2 自旋单态s波的常规配对 551

18.3.3 自旋单态d波的非常规配对 553

18.3.4 赝能隙及其对称性 555

18.3.5 自旋三重态p波的非常规配对 557

18.4 Josephson效应 560

18.4.1 Josephson方程 560

18.4.2 超导体中的Josephson效应 561

18.4.3 配对对称性的相敏检验 563

18.4.4 超流体中的Josephson效应 565

参考文献 566

第十九章 遍历性破缺 568

19.1 遍历性的内涵 568

19.1.1 遍历性假设 568

19.1.2 时标的引入 570

19.1.3 内部遍历性 573

19.2 从气相到非晶固相 574

19.2.1 气液相变 574

19.2.2 浸润相变 577

19.2.3 玻璃化转变 580

19.3 自旋玻璃转变 583

19.3.1 自旋玻璃态 583

19.3.2 失措和序参量 585

19.3.3 理论模型 587

19.4 金属-非金属转变 591

19.4.1 半经验判据 592

19.4.2 Wigner结晶 594

19.4.3 Mott相变的Gutzwiller变分法及唯象处理 596

19.4.4 电子玻璃态 599

参考文献 603