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凝聚態物理的全量子效應(精)

  • 作者：王恩哥|責編:錢俊//陳艷峰//孔曉慧
  • 出版社：科學
  • ISBN：9787030798572
  • 出版日期：2024/12/01
  • 裝幀：精裝
  • 頁數：543
人民幣：RMB 368 元      售價：元
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內容大鋼
    1927年玻恩和奧本海默基於薛定諤方程提出的電子態絕熱近似，在過去近一百年中已經成為了人們探索微觀世界的一種研究範式。在理論上，它是在量子力學層面求解凝聚態物理問題的第一步；在實驗上，它是預言和解釋各種觀測結果的理論依據。近年物理學發展的一個趨勢是隨著理論模擬更加接近真實體系、實驗觀測更加趨於精準極限，建立一種超越玻恩-奧本海默近似的新的研究範式被逐漸提上日程。全量子效應是指基於原子核與電子自由度的全量子理論所預言的物理性質和化學性質。它普遍存在於客觀世界的凝聚態物質中，涉及的內容十分廣泛和豐富。但由於人們的認識過程，以及理論方法和實驗技術發展水平的限制，直到最近才逐步得到越來越多的關注。本書在對全量子效應問題的歷史發展和研究現狀做簡要概述之後，先來介紹凝聚態物質中全量子效應的物理問題（第2章）和化學問題（第3章），使讀者對全量子效應有一個總的概念。接下來分兩章詳細討論了全量子效應研究的理論基礎和方法，並在第6章介紹了全量子效應研究的實驗技術和外場極端條件的發展。第7章和第8章重點以氫（含富氫化合物）及其他典型體系（包括輕元素及較重元素）為例，具體利用前面介紹的方法研究這些凝聚態物質中的全量子效應。最後，第9?11章分別介紹了全量子效應在能源、環境、器件等領域已有或潛在的應用。本書強調的全量子凝聚態物理學研究無疑是人們對實際體系在進行準確物性的模擬與測量上不可繞過的一個重要課題。隨著全量子效應理論方法的快速發展以及全量子效應實驗能力的大幅提升，在今後若干年內基於玻恩-黃展開來理解凝聚態物質這種思維範式，在凝聚態物理研究中，特別是與核量子效應和非絕熱效應相關的物性描述時，必將成為主流思維範式。希望本書能夠讓讀者在今後面對一個凝聚態體系進行物性描述（特別是超越電子態絕熱的球-棒模型）時，有一個物理圖像清晰的切入點；同時，作者也希望能夠促進這個剛剛興起、亟待發展的領域走向正確的方向。
    本書適合凝聚態物理專業的高年級本科生和研究生學習使用，也可供從事相關領域的研究者參考閱讀。
作者介紹
王恩哥|責編:錢俊//陳艷峰//孔曉慧
目錄
序言
第1章  全量子效應問題概述
  1.1  薛定諤方程與近似求解
  1.2  全量子效應概念的提出
  1.3  計算方法與測量技術的發展
    1.3.1  計算方法
    1.3.2  測量技術
  1.4  全量子效應研究的主要挑戰
  1.5  舉例：水的全量子效應研究
第2章  全量子效應的物理問題
  2.1  核量子效應
    2.1.1  原子結構
    2.1.2  電子結構
    2.1.3  熱力學性質
    2.1.4  光學性質
    2.1.5  量子順電現象
    2.1.6  超流體、超固體和量子缺陷
    2.1.7  超導性質
  2.2  非絕熱效應
    2.2.1  原子碰撞
    2.2.2  原子振動
    2.2.3  超快電荷轉移
    2.2.4  電子與聲子耦合
    2.2.5  光場驅動相變
    2.2.6  光場調控電荷密度波
第3章  全量子效應的化學問題
  3.1  化學反應過渡態理論
  3.2  核量子效應
    3.2.1  表面催化反應
    3.2.2  超冷化學反應
    3.2.3  有機化學反應
    3.2.4  電化學反應
    3.2.5  生命起源假說與生化反應
    3.2.6  ?催化反應
  3.3  非絕熱效應
    3.3.1  弛豫動力學反應
    3.3.2  多勢能面非絕熱演化
    3.3.3  光化學反應與水解離
第4章  理論基礎：電子結構
  4.1  全量子效應理論方法概述
  4.2  玻恩-黃展開
  4.3  波函數方法
    4.3.1  Hartree方法
    4.3.2  Hartree-Fock方法
    4.3.3  后Hartree-Fock方法
  4.4  密度泛函理論
    4.4.1  Thomas-Fermi模型及推廣
    4.4.2  密度泛函理論與交換關聯項
  4.5  量子蒙特卡洛方法
    4.5.1  變分蒙特卡洛方法

    4.5.2  擴散蒙特卡洛方法
    4.5.3  舉例：半導體量子阱中的激子問題
    4.5.4  全組態相互作用量子蒙特卡洛方法
  4.6  激發態電子結構和GW方法
    4.6.1  激發態電子結構
    4.6.2  GW方法
  4.7  常用電子結構計算程序介紹
第5章  全量子效應的理論研究
  5.1  核量子效應模擬研究
    5.1.1  路徑積分基本原理
    5.1.2  核量子效應統計性質
    5.1.3  核量子效應動力學性質
  5.2  第一性原理的電-聲耦合研究
    5.2.1  電-聲耦合的微擾方法
    5.2.2  電-聲耦合的非微擾方法
  5.3  非絕熱效應模擬研究
    5.3.1  勢能面躍遷方法
    5.3.2  埃倫費斯特動力學方法
    5.3.3  其他量子-經典混合動力學方法
  5.4  非絕熱效應與核量子效應結合的一些嘗試
    5.4.1  非絕熱動力學性質模擬
    5.4.2  非絕熱反應速率的計算
    5.4.3  舉例：光激發水二聚體中的質子轉移過程
  5.5  全量子效應理論方法展望
第6章  全量子效應的實驗研究
  6.1  技術方法
    6.1.1  核磁共振
    6.1.2  中子散射
    6.1.3  X 射線散射
    6.1.4  光譜技術
    6.1.5  光電子能譜
    6.1.6  電子散射
    6.1.7  掃描探針技術
  6.2  外場極端條件平台
    6.2.1  極低溫環境
    6.2.2  超高壓環境
    6.2.3  強磁場環境
    6.2.4  超快超強激光技術
    6.2.5  綜合極端條件
  6.3  全量子效應實驗技術展望
第7章  全量子效應的典型體系：氫(H)
  7.1  氫的核量子效應
    7.1.1  高壓相圖
    7.1.2  相變模擬
  7.2  水的核量子效應
    7.2.1  單根氫鍵量子漲落
    7.2.2  質子協同量子隧穿
    7.2.3  體相水與冰
    7.2.4  限域水與冰
    7.2.5  一維水分子鏈的量子相變

  7.3  富氫化合物超導相變
  7.4  富氫礦物晶體非線性光學性質
  7.5  二維材料質子傳輸
  7.6  體材料質子傳輸
    7.6.1  躍遷速率
    7.6.2  量子化修正
    7.6.3  鈣鈦礦體材料
  7.7  DNA 自發突變
第8章  全量子效應的典型體系：其他元素
  8.1  氦(He)
    8.1.1  超固態和質量輸運
    8.1.2  缺陷運動以及塑性形變
    8.1.3  比熱測量
    8.1.4  表面電子態
  8.2  鋰(Li)
    8.2.1  高壓相變
    8.2.2  化學鍵量子漲落
    8.2.3  零點能擴散
  8.3  硼(B)
    8.3.1  體相硼
    8.3.2  硼烯
    8.3.3  硼氮納米管
    8.3.4  六方氮化硼
    8.3.5  二硼化鎂
  8.4  碳(C)
    8.4.1  金剛石
    8.4.2  石墨烯
    8.4.3  碳有機分子
    8.4.4  非晶碳
    8.4.5  超導研究
  8.5  氧(O)
    8.5.1  鈦酸鍶
    8.5.2  鋇鐵氧
  8.6  硅(Si)
    8.6.1  反常熱膨脹
    8.6.2  聲子輔助光吸收
第9章  能源問題中的全量子效應
  9.1  宇宙的能量
    9.1.1  恆星能源
    9.1.2  行星能源
  9.2  氫能
    9.2.1  氫原子吸附與擴散
    9.2.2  氫氣產生與擴散
    9.2.3  高密度氫
    9.2.4  氫與表面催化
  9.3  太陽能轉化
  9.4  燃料電池
  9.5  離子電池
第10章  環境問題中的全量子效應
  10.1  宇宙的環境

  10.2  自然界水問題
    10.2.1  水分子吸附與擴散
    10.2.2  體相水
    10.2.3  水團簇
    10.2.4  離子水合物
    10.2.5  氟與水的催化反應
  10.3  大氣化學
    10.3.1  臭氧形成與轉化反應
    10.3.2  羥亞磺?基+氮氧化物反應
    10.3.3  羥亞磺?基+氮氧化物+水反應
第11章  全量子效應的器件應用
  11.1  同位素量子過濾器件
  11.2  超靈敏量子隧穿器件
  11.3  單光子發射器件及納米腔
  11.4  高效固態中子探測器件
  11.5  鐵電功能器件
    11.5.1  鐵電相變
    11.5.2  鐵電翻轉調控
    11.5.3  全量子效應鐵電功能器件
  11.6  低維半導體器件穩定性研究
附錄A  核量子效應與路徑積分分子動力學模擬程序
附錄B  非絕熱效應與第一性原理激發態動力學模擬程序
參考文獻
索引

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