高等固体物理
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高等固体物理学
高等固体物理学是研究物质的结构和性质的分支学科。
在这一领
域中,研究的对象是材料的晶体结构、电子结构以及它们在宏观和微
观层面上的物理性质。
在高等固体物理学中,晶体结构是一个非常重要的概念。
晶体是
由原子、分子或离子在周期性排列的模式中组成的。
这种排列方式决
定了晶体的物理性质。
晶体的晶格参数、晶体的空间群、晶体的空间
分组、晶体的晶格动力学,这些都是从晶体结构中获得的信息。
电子结构是高等固体物理学的另一个重要的研究领域。
电子结构
描述了电子在晶体中的分布方式。
通过研究电子结构,可以确定材料
的电导率、磁性以及光学性质。
一般来说,具有多余电子的物质是导体;带有缺电子的是半导体,而没有多余电子或缺电子的是绝缘体。
因此,研究电子结构可以为材料在各种应用中提供指导意义。
在高等固体物理学中还有一个非常重要的课题,那就是物理性质。
各种物理性质,如热容、热导率、电阻率、电荷输运,都取决于材料
的电子结构和晶体结构。
通过对这些性质的研究,可以理解材料在各
种条件下的行为,这对于研究材料的应用具有重要的意义。
总之,高等固体物理学在研究物质的结构和性质方面具有非常重
要的地位。
它为我们提供了深入了解和利用材料的基础平台。
只有深
入地了解物质的基本特性,才能更好地从中挖掘出各种实际应用。
高等固体物理学固体物理作为凝聚态物理学中最大的分支,以固体特别是原子排列具有周期性结构的晶体为对象,基本任务是从微观上解释固体物质的宏观物理性质、构成物质的各种粒子的运动形态及其相互关系,是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
最近几十年来,由于新的实验条件和技术以前所未有的速度发展和进步,新材料不断涌现,因此不断开拓出固体物理新的研究领域。
同时,固体物理学的成就和实验手段对电子技术、计算技术以至整个信息产业、化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长,正在形成许多新的交叉学科。
对于经济和社会乃至人类日常生活具有革命性的影响。
本书对固体物理前沿的许多重要课题给出了简明的介绍,以清晰的教学方式提供了该领域已经得到很好确立的基础的背景材料。
把导论性的介绍与不断更新的高等论题成功地整合在一起,相关领域的研究生与高水平的研究人员将会从中受益并引起广泛的兴趣。
而对于希望对当代固体物理巨大的挑战得到一些概览的其他领域的学者也很有价值。
全书内容共分16章:1.导言;2.无相互作用电子气;3.BornOppenheimer近似;4.二次量子化;5.HatreeFock近似;6.相互作用电子气;7.金属中的局域磁矩;8.局域磁矩的淬火:近藤问题;9.屏蔽与等离子体激元;10.玻色化;11.电子-晶格相互作用;12.金属中的超导电性;13.无序:定域与例外;14.量子相变;15.量子Hall效应及其它拓扑态;16.强耦合电子:莫特性(Mottness)。
本书把传统主题与现代进展有机地结合在一起的写作风格是其它书籍很少见到的。
它的内容清新、广泛,行文清晰,且容易理解,是高等固体物理学的一部很有价值的参考书。
第一章 概论1.范式的定义及科学演化的方式范式:样式,作为样本或模式的例子。
科学演化的方式:前范式阶段——常规科学阶段——反常科学阶段——危机阶段——科学革命阶段——新范式阶段 科学发展过程中,范式的转换构成了科学革命。
而一门成熟科学的发展历程是可以通过范式转换来描述的。
2.固体物理的范式的建立,内容和定量描述 固体物理的范式的建立: 时间:20世纪上半叶。
基础:(1)晶体学:晶体周期结构的确定(2)固体比热理论:初步的晶格动力学理论 (3)金属导电的自由电子理论:费米统计 (4)铁磁性研究:自旋量子理论。
另外:电子衍射的动力学理论,金属导电的能带理论,基于能带理论的半导体物理。
标志:1940年Seitz “固体的现代理论” 范式内容:核心概念:周期结构中的波的传播,晶体的平移对称性,波矢空间,强调共有化的价电子以及波矢空间的色散关系。
波矢空间的基本单元:布里渊区。
焦点:布里渊区边界或区内某些特殊位置的能量——波矢的色散关系。
定量描述:标量波,矢量波,张量波。
标量波:在绝热近似,单电子近似下,电子在周期场中的运动,以及Bloch 定理21(())()(),()()2n V r r E r V r V r R χχ-∇+==+ 矢量波:H E t μ→→∂=-∇⨯∂,EH tε→→∂=∇⨯∂。
应用x 射线衍射:2sin 1hkl d θλ= 3. 光子晶体的定义和应用光子晶体:在高折射率材料的某些位置周期性出现低折射率的材料. 这种光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构,控制着光在晶体中的运动。
应用:微腔、波导、光开关、激光器、探测器、太阳能电池、生物芯片、光存储、传感器。
光子晶体光纤——光子能隙全反射。
无损输运,无损光路弯曲。
4. 量子化学的范式的内容对象:原子,分子的结构和性质。
方法:量子力学。
内容:价键理论,分子轨道理论核心思想: 实空间中的几何位形,电子的局域化, 电子密度的集中和电荷的转移.和固体能带理论范式的差别:一个强调周期结构,主要处理非局域态;一个强调原子相关,键合的形成,主要处理局域态。