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