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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