Sách giáo trình cơ học lượng tử nâng cao: Vật liệu và photon - Tái bản lần thứ hai

Tài liệu Ebook cơ học lượng tử nâng cao phần 1, tập trung vào vật liệu và photon, cung cấp kiến thức chuyên sâu cho sinh viên và nghiên cứu.

Trường đại học

University of Saskatchewan

Chuyên ngành

Cơ Học Lượng Tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Giáo Trình

2016

330
1
0

Phí lưu trữ

75 Point

Mục lục chi tiết

Preface to the Second Edition

Preface to the First Edition

1. CHƯƠNG 1: Introduction and Background

21. CHƯƠNG 21: Relativistic Quantum Fields

21.5. Non-relativistic limit of the Dirac equation

21.6. Quantization of the Maxwell field in Lorentz gauge

22. CHƯƠNG 22: Applications of Quantum Electrodynamics

22.2. Electron-nucleus scattering

Appendix I: Transformation properties of scalars, spinors and gauge fields under parity or time reversal

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách giáo trình cơ học lượng tử nâng cao

Sách giáo trình 'Cơ học lượng tử nâng cao: Vật liệu và photon, Tái bản lần thứ hai' của Rainer Dick là một tài liệu quan trọng trong lĩnh vực vật lý. Tài liệu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các khái niệm cơ bản và ứng dụng của cơ học lượng tử trong nghiên cứu vật liệu và photon. Đặc biệt, sách nhấn mạnh vai trò của vật liệu lượng tử trong công nghệ hiện đại và các ứng dụng thực tiễn của chúng.

1.1. Nội dung chính của sách giáo trình

Sách bao gồm các chương về lý thuyết cơ bản của cơ học lượng tử, các khái niệm về photonvật liệu lượng tử. Nó cũng trình bày các phương pháp giải quyết vấn đề trong nghiên cứu vật liệu, từ đó giúp sinh viên nắm vững kiến thức cần thiết cho nghiên cứu và ứng dụng.

1.2. Đối tượng độc giả của sách

Sách được thiết kế cho sinh viên cao học và nghiên cứu sinh trong lĩnh vực vật lý, cũng như các giảng viên. Nó cung cấp tài liệu tham khảo phong phú cho những ai muốn tìm hiểu sâu về cơ học lượng tử và ứng dụng của nó trong vật liệu.

II. Thách thức trong nghiên cứu cơ học lượng tử hiện đại

Nghiên cứu cơ học lượng tử hiện đại đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc áp dụng lý thuyết vào thực tiễn. Các vấn đề như tính chính xác trong mô hình hóa và sự phức tạp của các hệ vật liệu là những điểm cần được giải quyết. Sự phát triển của công nghệ cũng đặt ra yêu cầu cao hơn về khả năng ứng dụng của lý thuyết.

2.1. Vấn đề trong mô hình hóa vật liệu lượng tử

Mô hình hóa các vật liệu lượng tử phức tạp đòi hỏi các phương pháp tính toán tiên tiến. Các nhà nghiên cứu cần phát triển các mô hình chính xác hơn để dự đoán tính chất của vật liệu trong các điều kiện khác nhau.

2.2. Khó khăn trong việc ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn

Việc chuyển giao từ lý thuyết sang ứng dụng thực tiễn thường gặp khó khăn. Các nhà khoa học cần tìm ra cách để áp dụng các khái niệm cơ học lượng tử vào công nghệ mới, như trong lĩnh vực quang học lượng tử.

III. Phương pháp nghiên cứu trong cơ học lượng tử nâng cao

Các phương pháp nghiên cứu trong cơ học lượng tử bao gồm cả lý thuyết và thực nghiệm. Sách giáo trình cung cấp các phương pháp giải quyết vấn đề, từ các bài toán cơ bản đến các ứng dụng phức tạp trong nghiên cứu vật liệu và photon.

3.1. Các phương pháp lý thuyết

Các phương pháp lý thuyết như phương pháp perturbation và phương pháp trường lượng tử được trình bày chi tiết. Những phương pháp này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các hệ lượng tử.

3.2. Các phương pháp thực nghiệm

Sách cũng đề cập đến các phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu photon và vật liệu. Các kỹ thuật như quang phổ và phân tích quang học được sử dụng để kiểm tra các lý thuyết đã được phát triển.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử trong vật liệu

Cơ học lượng tử có nhiều ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu và phát triển vật liệu mới. Các ứng dụng này không chỉ giới hạn trong lĩnh vực vật lý mà còn mở rộng ra các lĩnh vực như hóa học và công nghệ thông tin.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ nano

Nghiên cứu vật liệu lượng tử đã dẫn đến sự phát triển của công nghệ nano, nơi mà các hiệu ứng lượng tử đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo các thiết bị mới.

4.2. Ứng dụng trong quang học lượng tử

Các khái niệm từ cơ học lượng tử được áp dụng trong quang học lượng tử, giúp phát triển các công nghệ như laser và cảm biến quang học, mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng.

V. Kết luận và tương lai của cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động với nhiều tiềm năng phát triển. Tương lai của nó hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ và khoa học vật liệu. Việc hiểu rõ các khái niệm và ứng dụng của cơ học lượng tử sẽ là chìa khóa cho những tiến bộ này.

5.1. Tương lai của nghiên cứu vật liệu lượng tử

Nghiên cứu về vật liệu lượng tử sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong công nghệ và khoa học. Các nhà nghiên cứu cần tiếp tục khám phá và phát triển các lý thuyết mới để giải quyết các vấn đề hiện tại.

5.2. Tầm quan trọng của giáo dục trong cơ học lượng tử

Giáo dục về cơ học lượng tử sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị cho thế hệ nhà khoa học tiếp theo. Việc cung cấp kiến thức vững chắc sẽ giúp họ đối mặt với các thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng.

16/07/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Graduate Texts in Physics Rainer Dick Advanced Quantum Mechanics Materials and Photons Second Edition Graduate Texts in Physics Series editors Kurt H. Becker, Polytechnic School of Engineering, Brooklyn, USA Sadri Hassani, Illinois State University, Normal, USA Bill Munro, NTT Basic Research Laboratories, Atsugi, Japan Richard Needs, University of Cambridge, Cambridge, UK Jean-Marc Di Meglio, Université Paris Diderot, Paris, France William T. Rhodes, Florida Atlantic University, Boca Raton, USA Susan Scott, Australian National University, Acton, Australia H. Eugene Stanley, Boston University, Boston, USA Martin Stutzmann, TU München, Garching, Germany AndreasWipf, Friedrich-Schiller-Univ Jena, Jena, Germany Graduate Texts in Physics Graduate Texts in Physics publishes core learning/teaching material for graduate- and advanced-level undergraduate courses on topics of current and emerging fields within physics, both pure and applied.

These textbooks serve students at the MS- or PhD-level and their instructors as comprehensive sources of principles, definitions, derivations, experiments and applications (as relevant) for their mastery and teaching, respectively. International in scope and relevance, the textbooks correspond to course syllabi sufficiently to serve as required reading. Their didactic style, comprehensiveness and coverage of fundamental material also make them suitable as introductions or references for scientists entering, or requiring timely knowledge of, a research field. More information about this series at http://www.com/series/8431 Rainer Dick Advanced Quantum Mechanics Materials and Photons Second Edition 123 Rainer Dick Department of Physics and Engineering Physics University of Saskatchewan Saskatoon, Saskatchewan Canada ISSN 1868-4513 ISSN 1868-4521 (electronic) Graduate Texts in Physics ISBN 978-3-319-25674-0 ISBN 978-3-319-25675-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-319-25675-7 Library of Congress Control Number: 2016932403 © Springer International Publishing Switzerland 2012, 2016 This work is subject to copyright.

All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication.

Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. Printed on acid-free paper This Springer imprint is published by Springer Nature The registered company is Springer International Publishing AG Switzerland Preface to the Second Edition The second edition features 62 additional end of chapter problems and many sections were edited for clarity and improvement of presentation. Furthermore, the chapter on Klein-Gordon and Dirac fields has been expanded and split into Chapter 21 on relativistic quantum fields and Chapter 22 on applications of quantum electrodynamics. This was motivated by the renewed interest in the notions and techniques of relativistic quantum theory due to their increasing relevance for materials research.

Of course, relativistic quantum theory has always been an important tool in subatomic physics and in quantum optics since the dynamics of photons or high energy particles is expressed in terms of relativistic quantum fields. Furthermore, relativistic quantum mechanics has also always been important for chemistry and condensed matter physics through the impact of relativistic corrections to the Schrödinger equation, primarily through the Pauli term and through spin-orbit couplings. These terms usually dominate couplings to magnetic fields and relativistic corrections to energy levels in materials, and spin-orbit couplings became even more prominent due to their role in manipulating spins in materials through electric fields. Relativistic quantum mechanics has therefore always played an important foundational role throughout the physical sciences and engineering.

However, we have even seen discussions of fully quasirelativistic wave equations in materials research in recent years. This development is driven by discoveries of materials like Graphene or Dirac semimetals, which exhibit low energy effective Lorentz symmetries in sectors of momentum space. In these cases c and m become effective low energy parameters which parametrize quasirelativistic cones or hyperboloids in regions of. As a consequence, materials researchers now do not only deal with Pauli and spin-orbit terms, but with representations of  matrices and solutions of Dirac equations in various dimensions.

To prepare graduate students in the physical sciences and engineering better for the increasing number of applications of (quasi-)relativistic quantum physics, Section 21.5 on the non-relativistic limit of the Dirac equation now also contains a detailed discussion of the Foldy-Wouthuysen transformation including a derivation of the general spin-orbit coupling term and a discussion of the origin of Rashba v vi Preface to the Second Edition terms, and the Section 21.6 on quantization of the Maxwell field in Lorentz gauge has been added. The discussion of applications of quantum electrodynamics now also includes the new Section 22.2 on electron-nucleus scattering. Finally, the new Appendix I discusses the transformation properties of scalars, spinors and gauge fields under parity or time reversal. Saskatoon, SK, Canada Rainer Dick Preface to the First Edition Quantum mechanics was invented in an era of intense and seminal scientific research between 1900 and 1928 (and in many regards continues to be developed and expanded) because neither the properties of atoms and electrons, nor the spectrum of radiation from heat sources could be explained by the classical theories of mechan- ics, electrodynamics and thermodynamics.

It was a major intellectual achievement and a breakthrough of curiosity driven fundamental research which formed quantum theory into one of the pillars of our present understanding of the fundamental laws of nature. The properties and behavior of every elementary particle is governed by the laws of quantum theory. However, the rule of quantum mechanics is not limited to atomic and subatomic scales, but also affects macroscopic systems in a direct and profound manner. The electric and thermal conductivity properties of materials are determined by quantum effects, and the electromagnetic spectrum emitted by a star is primarily determined by the quantum properties of photons.

It is therefore not surprising that quantum mechanics permeates all areas of research in advanced modern physics and materials science, and training in quantum mechanics plays a prominent role in the curriculum of every major physics or chemistry department. The ubiquity of quantum effects in materials implies that quantum mechanics also evolved into a major tool for advanced technological research. The con- struction of the first nuclear reactor in Chicago in 1942 and the development of nuclear technology could not have happened without a proper understanding of the quantum properties of particles and nuclei. However, the real breakthrough for a wide recognition of the relevance of quantum effects in technology occurred with the invention of the transistor in 1948 and the ensuing rapid development of semiconductor electronics.

This proved once and for all the importance of quantum mechanics for the applied sciences and engineering, only 22 years after publication of the Schrödinger equation! Electronic devices like transistors rely heavily on the quantum mechanical emergence of energy bands in materials, which can be considered as a consequence of combination of many atomic orbitals or as a consequence of delocalized electron states probing a lattice structure. Today the rapid developments of spintronics, photonics and nanotechnology provide continuing testimony to the technological relevance of quantum mechanics. vii viii Preface to the First Edition As a consequence, every physicist, chemist and electrical engineer nowadays has to learn aspects of quantum mechanics, and we are witnessing a time when also mechanical and aerospace engineers are advised to take at least a 2nd year course, due to the importance of quantum mechanics for elasticity and stability properties of materials. Furthermore, quantum information appears to become increasingly relevant for computer science and information technology, and a whole new area of quantum technology will likely follow in the wake of this development.

Therefore it seems safe to posit that within the next two generations, 2nd and 3rd year quantum mechanics courses will become as abundant and important in the curricula of science and engineering colleges as first and second year calculus courses. Quantum mechanics continues to play a dominant role in particle physics and atomic physics – after all, the Standard Model of particle physics is a quantum theory, and the spectra and stability of atoms cannot be explained without quantum mechanics. However, most scientists and engineers use quantum mechanics in advanced materials research. Furthermore, the dominant interaction mechanisms in materials (beyond the nuclear level) are electromagnetic, and many experimental techniques in materials science are based on photon probes.

The introduction to quantum mechanics in the present book takes this into account by including aspects of condensed matter theory and the theory of photons at earlier stages and to a larger extent than other quantum mechanics texts. Quantum properties of materials provide neat and very interesting illustrations of time-independent and time-dependent perturbation theory, and many students are better motivated to master the concepts of quantum mechanics when they are aware of the direct relevance for modern technology. A focus on the quantum mechanics of photons and materials is also perfectly suited to prepare students for future developments in quantum information technology, where entanglement of photons or spins, decoherence, and time evolution operators will be key concepts. Other novel features of the discussion of quantum mechanics in this book concern attention to relevant mathematical aspects which otherwise can only be found in journal articles or mathematical monographs.

Special appendices include a mathematically rigorous discussion of the completeness of Sturm-Liouville eigen- functions in one spatial dimension, an evaluation of the Baker-Campbell-Hausdorff formula to higher orders, and a discussion of logarithms of matrices. Quantum mechanics has an extremely rich and beautiful mathematical structure. The growing prominence of quantum mechanics in the applied sciences and engineering has already reinvigorated increased research efforts on its mathematical aspects. Both students who study quantum mechanics for the sake of its numerous applications, as well as mathematically inclined students with a primary interest in the formal structure of the theory should therefore find this book interesting.

This book emerged from a quantum mechanics course which I had introduced at the University of Saskatchewan in 2001. It should be suitable both for advanced undergraduate and introductory graduate courses on the subject. To make advanced quantum mechanics accessible to wider audiences which might not have been exposed to standard second and third year courses on atomic physics, analytical mechanics, and electrodynamics, important aspects of these topics are briefly, but Preface to the First Edition ix concisely introduced in special chapters and appendices. The success and relevance of quantum mechanics has reached far beyond the realms of physics research, and physicists have a duty to disseminate the knowledge of quantum mechanics as widely as possible.

Saskatoon, SK, Canada Rainer Dick x Preface to the First Edition To the Students Congratulations! You have reached a stage in your studies where the topics of your inquiry become ever more interesting and more relevant for modern research in basic science and technology. Together with your professors, I will have the privilege to accompany you along the exciting road of your own discovery of the bizarre and beautiful world of quantum mechanics. I will aspire to share my own excitement that I continue to feel for the subject and for science in general. You will be introduced to many analytical and technical skills that are used in everyday applications of quantum mechanics.

These skills are essential in virtually every aspect of modern research. A proper understanding of a materials science measurement at a synchrotron requires a proper understanding of photons and quantum mechanical scattering, just like manipulation of qubits in quantum information research requires a proper understanding of spin and photons and entangled quantum states. Quantum mechanics is ubiquitous in modern research.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ