固体物理

由大量原子按适当结合方式凝聚到一起而形成的固态物质，根据其中的原子排列分布是否具有周期性，通常分为晶体和非晶体两大类。晶体中的原子按一定规则周期有序排列，而非晶体中原子的排列不具有周期性。尽管目前对非晶的研究日趋活跃且成果丰富，但迄今为止，人们对固体的了解以及很多概念的提出大多来自对晶体的研究，由于这一原因，如无特别交代，本书所提到的固体均是指由大量原子周期性排布而形成的固体，即晶体。固体物理是研究固体的结构及其组成粒子（原子、离子、电子等）间的相互作用与运动规律以从微观上解释或预测固体宏观性质的学科。除了研究因原子间不同的相互作用而导致固体具有不同的结构（因此具有不同的物理性质）外，固体物理重要的内容涉及的是对各种波在周期性结构的固体中的传播问题的研究，如格波、电磁波、德布罗意波、布洛赫波、自旋波等在周期性结构的固体中的传播。上世纪初，晶体衍射技术的发展以及晶体衍射理论的提出，使得人们可以从微观层次上研究晶体中的原子周期性排布；随后，将量子力学、统计物理等应用于对周期性结构固体的分析，由此发展了一系列理论，如晶格动力学理论、金属自由电子气量子理论、固体能带理论等。在此基础上，于上世纪20到50年代期间正式形成了一门独立的学科——固体物理学。到上世纪50到70年代，固体物理学逐渐进入到大发展时期，其重要标志体现在，一是为各种功能材料的预测和研制提供了理论基础，另一是导致以固体物理学为基础的各分支学科的相继建立，如金属物理、半导体物理、超导物理、电介质物理、磁性物理等。当代的固体物理学，其发展的特点是，研究对象的多样化和复杂化，多种现代和极端条件应用于材料制备和性能研究，重正化群、自相似、自组织、混沌、密度泛函等方法的引入使得理论研究更加深入，与其它学科相互交叉、渗透、互相促进并共同发展，等等。自上世纪80年代以来，固体物理学科日新月异，新效应、新概念、新理论不断涌现，使得固体物理进入到崭新的研究阶段，因准晶、整数量子霍尔效应、高温超导、富勒烯、分数量子霍尔效应、巨磁电阻效应、石墨烯、白光LED、拓扑相变等的发现而先后获得诺贝尔奖，足见固体物理学科在现今基础学科中的重要地位。本书是出于华中科技大学物理学院本硕课程贯通的目的、基于多年的本科生和研究生课程的讲稿整理而成的。作者有从事本科生量子力学和固体物理教学的二十多年的经历以及先后给研究生上过高等固体物理、低温物理、材料物理等课程，同时，基于超导、磁电子、量子态调控、稀磁半导体、负磁化效应、多铁效应等研究，培养了近50名博士和上百名硕士。虽然如此，但真的准备写教材特别是有特色的教材时，作者深深感觉到非常的不易，这一是因为作者的知识浅薄和水平有限，另一是因为国内已出版了很多版本的固体物理类的教材。本书从固体原子论、固体电子论和固体物理专题三方面阐述固体物理的理论框架和内容。首先，从固体中原子的角度，介绍固体原子论内容，由原子凝聚、晶体结构及其周期性描述、倒易点阵及其周期性、晶体衍射以及原子振动及晶格动力学五章构成。相对于已出版的固体物理教材，在第一章中除了介绍五种基本结合类型外，比较详细地介绍了轨道杂化内容，这是因为轨道杂化是导致复杂晶体结构的主要原因，同时介绍了富勒烯、碳纳米管和石墨烯等这些当前热点的研究内容。由于倒格子空间的描述在固体理论中非常重要，因此，把相关内容单独作为一章而给以较详细的描述。在第四章中，除了一般教科书中介绍的晶体衍射内容外，基于作者在研究生培养过程中的体会，有意添加了如何基于X射线衍射获得晶体结构信息的内容。然后，从固体中（价）电子的角度，介绍固体电子论内容，由金属电子论、固体能带论、固体能带计算和固体电子输运理论四章构成。考虑到在实际研究中的能带计算很少是基于布洛赫理论的，在第8章中比较详细地介绍了基于密度泛函理论的能带计算的基本思路。*后，在第10-13章中，分别介绍了固体的介电性、半导体性、磁性和超导电性等固体物理专题。由于固体物理更多强调的是固体中的物理问题，因此，在每章的*后附有思考与习题，从思考与练习的角度，加深对每章内容的理解。本教材力求对传统的固体物理内容，做到通俗易懂、图像清晰和内容融会贯通，同时适当介绍前沿性的研究进展和从事相关研究所需的理论基础，以达到“夯实基础、拔高培养和引领前沿”的目的。作者曾有幸邀请到北京大学阎守胜教授来华中科技大学作为期两周的固体物理讲座，和武汉大学石兢教授多年来一直保持往来并就固体物理问题经常在一起讨论，华中科技大学田召明教授对部分内容进行了认真的审阅并提出修改意见，华中科技大学刘鑫教授、付英双教授、陆成亮教授、钱立华教授和田召明教授在教学中采用了本教材的前期讲义，华中科技大学物理学院院长陈相松教授对编写本教材一直给以鼓励和支持，作者在此向他们表示由衷地感谢。由于作者学识浅薄，水平有限，书中错误和不妥之处难免，敬请各位专家学者及广大读者给以批评指正。

本书是基于物理类本科和研究生课程的贯通而编写的教材。从固体的原子论、电子论和专题三方面阐述固体物理的理论框架和内容。首先从固体中原子的角度，介绍固体中的原子凝聚、晶体结构以及晶格振动等固体原子论内容；然后从固体中（价）电子的角度，介绍金属电子论、固体能带论、能带计算等固体电子论方面的内容；*后介绍固体的介电性、半导体性、磁性和超导电性等专题。本教材力求对传统的固体物理内容，做到通俗易懂、图像清晰和内容融会贯通，同时适当介绍前沿性的研究进展和从事相关研究所需的理论基础，以达到“夯实基础、拔高培养和引领前沿”的目的。本书可作为高等院校物理及相关专业本科和研究生课程贯通的固体物理教材，书中内容的适当选用也可作为本科生和研究生的固体物理教材。