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相變無疑是物理學中的最重要的現象之一。對於相變的研究貫穿整個物理學,甚至是人類文明史。而現代物理學中,與相變息息相關的一個方法就是重正化群方法,其概念和思想已經滲透於物理學的各個領域。《中外物理學精品書係:相變與重正化群(英文影印版)》的引進,能夠供所有物理學領域的工作者作為參考。
內容簡介
《中外物理學精品書係:相變與重正化群(英文影印版)》詳細討論瞭相變與重正化群的關係。特彆是相變中的連續極限、相乾長度及標度律等等。本書適閤所有物理學領域的科研工作者和研究生閱讀。
作者簡介
(法)齊恩-硃斯坦,法國原子研究中心教授。
目錄
1 Quantum field theory and the renormalization group . . . . . . . . . 1
1.1 Quantum electrodynamics: A quantum field theory . . . . . . . . . 3
1.2 Quantum electrodynamics: The problem of infinities . . . . . . . . 4
1.3 Renormalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Quantum field theory and the renormalization group . . . . . . . . 9
1.5 A triumph of QFT: The Standard Model . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Critical phenomena: Other infinities . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Kadanoff and Wilson’s renormalizationgroup . . . . . . . . . . . 14
1.8 Effective quantum field theories . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Gaussian expectation values. Steepest descent method . . . . . . . . 19
2.1 Generating functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Gaussian expectation values.Wick’s theorem . . . . . . . . . . . 20
2.3 Perturbed Gaussian measure. Connected contributions . . . . . . . 24
2.4 Feynman diagrams. Connected contributions . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Expectation values. Generating function. Cumulants . . . . . . . . 28
2.6 Steepest descent method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7 Steepest descent method: Several variables, generating functions . . . 37
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Universality and the continuum limit . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 Central limit theorem of probabilities . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 Universality and fixed points of transformations . . . . . . . . . . 54
3.3 Random walk and Brownian motion . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Random walk: Additional remarks . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5 Brownian motion and path integrals . . . . . . . . . . . . . . . 72
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 Classical statistical physics: One dimension . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1 Nearest-neighbour interactions. Transfer matrix . . . . . . . . . . 80
4.2 Correlation functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3 Thermodynamic limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4 Connected functions and cluster properties . . . . . . . . . . . . 88
4.5 Statistical models: Simple examples . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 The Gaussian model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.7 Gaussian model: The continuumlimit . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.8 More general models: The continuumlimit . . . . . . . . . . . 102
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5 Continuum limit and path integrals . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1 Gaussian path integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Gaussian correlations.Wick’s theorem . . . . . . . . . . . . . 118
5.3 Perturbed Gaussian measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.4 Perturbative calculations: Examples . . . . . . . . . . . . . . 120
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6 Ferromagnetic systems. Correlation functions . . . . . . . . . . . 127
6.1 Ferromagnetic systems: Definition . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.2 Correlation functions. Fourier representation . . . . . . . . . . . 133
6.3 Legendre transformation and vertex functions . . . . . . . . . . 137
6.4 Legendre transformation and steepest descent method . . . . . . . 142
6.5 Two- and four-point vertex functions . . . . . . . . . . . . . . 143
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7 Phase transitions: Generalities and examples . . . . . . . . . . . . 147
7.1 Infinite temperature or independent spins . . . . . . . . . . . . 150
7.2 Phase transitions in infinite dimension . . . . . . . . . . . . . 153
7.3 Universality in infinite space dimension . . . . . . . . . . . . . 158
7.4 Transformations, fixed points and universality . . . . . . . . . . 161
7.5 Finite-range interactions in finite dimension . . . . . . . . . . . 163
7.6 Ising model: Transfer matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.7 Continuous symmetries and transfer matrix . . . . . . . . . . . 171
7.8 Continuous symmetries and Goldstone modes . . . . . . . . . . 173
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8 Quasi-Gaussian approximation: Universality, critical dimension . . . . 179
8.1 Short-range two-spin interactions . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.2 The Gaussian model: Two-point function . . . . . . . . . . . . 183
8.3 Gaussian model and random walk . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.4 Gaussian model and field integral . . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.5 Quasi-Gaussian approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.6 The two-point function: Universality . . . . . . . . . . . . . . 196
8.7 Quasi-Gaussian approximation and Landau’s theory . . . . . . . 199
8.8 Continuous symmetries and Goldstone modes . . . . . . . . . . 200
8.9 Corrections to the quasi-Gaussian approximation . . . . . . . . . 202
8.10 Mean-field approximation and corrections . . . . . . . . . . . 207
8.11 Tricritical points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9 Renormalization group: General formulation . . . . . . . . . . . . 217
9.1 Statistical field theory. Landau’s Hamiltonian . . . . . . . . . . 218
9.2 Connected correlation functions. Vertex functions . . . . . . . . 220
9.3 Renormalization group: General idea . . . . . . . . . . . . . . 222
9.4 Hamiltonian flow: Fixed points, stability . . . . . . . . . . . . 226
9.5 The Gaussian fixed point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2319.6 Eigen-perturbations: General analysis . . . . . . . . . . . . . . 234
9.7 A non-Gaussian fixed point: The ε-expansion . . . . . . . . . . 237
9.8 Eigenvalues and dimensions of local polynomials . . . . . . . . . 241
10 Perturbative renormalization group: Explicit calculations . . . . . . 243
10.1 Critical Hamiltonian and perturbative expansion . . . . . . . . 243
10.2 Feynman diagrams at one-loop order . . . . . . . . . . . . . . 246
10.3 Fixed point and critical behaviour . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.4 Critical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.5 Models with O(N) orthogonal symmetry . . . . . . . . . . . . 258
10.6 Renormalization group near dimension 4 . . . . . . . . . . . . 259
10.7 Universal quantities: Numerical results . . . . . . . . . . . . . 262
11 Renormalization group: N-component fields . . . . . . . . . . . . 267
11.1 Renormalization group: General remarks . . . . . . . . . . . . 268
11.2 Gradient flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.3 Model with cubic anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11.4 Explicit general expressions: RG analysis . . . . . . . . . . . . 276
11.5 Exercise: General model with two parameters . . . . . . . . . . 281
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
12 Statistical field theory: Perturbative expansion . . . . . . . . . . 285
12.1 Generating functionals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.2 Gaussian field theory.Wick’s theorem . . . . . . . . . . . . . 287
12.3 Perturbative expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.4 Loop expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
12.5 Dimensional continuation and regularization . . . . . . . . . . 299
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
13 The σ4 field theory near dimension 4 . . . . . . . . . . . . . . . 307
13.1 Effective Hamiltonian. Renormalization . . . . . . . . . . . . 308
13.2 Renormalization group equations . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.3 Solution of RGE: The ε-expansion . . . . . . . . . . . . . . . 316
13.4 Effective and renormalized interactions . . . . . . . . . . . . . 323
13.5 The critical domain above Tc . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14 The O(N) symmetric (φ2)2 field theory in the large N limit . . . . 329
14.1 Algebraic preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
14.2 Integration over the field φ: The determinant . . . . . . . . . . 331
14.3 The limit N →∞: The critical domain . . . . . . . . . . . . 335
14.4 The (φ2)2 field theory for N →∞ . . . . . . . . . . . . . . . 337
14.5 Singular part of the free energy and equation of state . . . . . . 340
14.6 The λλ and φ2φ2 two-point functions . . . . . . . . . . . . 343
14.7 Renormalization group and corrections to scaling . . . . . . . . 345
14.8 The 1/N expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.9 The exponent η at order 1/N . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
14.10 The non-linear σ-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
15 The non-linear σ-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
15.1 The non-linear σ-model on the lattice . . . . . . . . . . . . . 353
15.2 Low-temperature expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35515.3 Formal continuumlimit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
15.4 Regularization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
15.5 Zero-momentum or IR divergences . . . . . . . . . . . . . . . 362
15.6 Renormalization group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
15.7 Solution of the RGE. Fixed points . . . . . . . . . . . . . . . 368
15.8 Correlation functions: Scaling form . . . . . . . . . . . . . . 370
15.9 The critical domain: Critical exponents . . . . . . . . . . . . 372
15.10 Dimension 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
15.11 The (φ2)2 field theory at low temperature . . . . . . . . . . . 377
16 Functional renormalization group . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
16.1 Partial field integration and effective Hamiltonian . . . . . . . . 381
16.2 High-momentum mode integration andRGE . . . . . . . . . . 390
16.3 Perturbative solution: φ4 theory . . . . . . . . . . . . . . . . 396
16.4 RGE: Standard form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
16.5 Dimension 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
16.6 Fixed point: ε-expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
16.7 Local stability of the fixed point . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
A1 Technical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
A2 Fourier transformation: Decay and regularity . . . . . . . . . . 421
A3 Phase transitions: General remarks . . . . . . . . . . . . . . . 426
A4 1/N expansion: Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
A5 Functional renormalization group: Complements . . . . . . . . . 433
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
前言/序言
中外物理學精品書係:凝聚態物理前沿探索 本套書係專注於呈現凝聚態物理學領域最具影響力和創新性的研究成果與經典理論框架,旨在為廣大物理學研究者、高年級本科生及研究生提供一個深入理解物質奇異特性的窗口。我們將精選那些在理論創新、實驗突破或對學科發展具有裏程碑意義的著作,力求構建一個涵蓋從微觀動力學到宏觀集體行為的完整知識體係。 第一捲:量子材料的拓撲性質與新奇電子態 本捲聚焦於近年來凝聚態物理中最熱門的分支之一:拓撲物態。我們將探討如何利用群論、K理論以及緊束縛模型等工具,對具有非平凡拓撲結構的材料進行分類和描述。 主要內容概述: 1. 晶體與空間反演對稱性下的拓撲不變量: 深入解析時間反演對稱性和晶體對稱性在決定拓撲絕緣體和拓撲半金屬中的關鍵作用。內容將涵蓋費米麵附近的能帶反演、狄拉剋錐和外爾點的形成機製,以及如何通過第一性原理計算預測新的拓撲材料。 2. 高階拓撲相與新型界麵效應: 超越傳統的體態拓撲不變量,本捲將詳細介紹高階拓撲絕緣體(OTIs)和高階拓撲超導體(OTSCs)的概念。重點討論其在邊緣和角點處暴露齣的零維或一維激發態,例如洪德爾費米子(Hopfions)和傅裏葉-霍夫曼邊緣模式。 3. 二維電子氣中的分數霍爾效應與魔角石墨烯: 專題討論在強磁場或特定幾何結構下産生的強關聯電子態。內容將涵蓋朗道能級理論的推廣、平坦能帶的起源,以及分數霍爾效應中準粒子激發所攜帶的分數電荷和非阿貝爾統計的實驗證據。此外,對魔角石墨烯(MATBG)的Moiré物理學進行深度剖析,包括其超導、絕緣相的起源及其在模擬復雜量子多體問題中的潛力。 4. 拓撲缺陷與疇壁動力學: 探討材料生長過程中形成的晶格缺陷(如位錯、堆垛層錯)如何影響拓撲保護的邊緣態。分析疇壁處的能帶結構,以及在電場或應力作用下,這些缺陷驅動的拓撲相變行為。 第二捲:強關聯係統的精確求解方法與有效場論 本捲著重於理論物理的核心挑戰——如何精確處理電子間的庫侖相互作用。我們將梳理從微擾理論到數值計算的各種強大工具。 主要內容概述: 1. 格林函數方法與多體微擾論: 係統迴顧費曼圖技術在處理電子-電子、電子-聲子相互作用中的應用。重點闡述自能函數(Self-Energy)的構建,如Hartree-Fock、RPA(隨機相位近似)以及更高階的修正(如GW近似)。討論如何利用路徑積分錶述來處理高溫超導中的非常規配對機理。 2. 場論方法在凝聚態中的應用: 介紹如何將量子場論的工具引入到凝聚態問題中。包括如何構造描述磁性、電荷密度波(CDW)和超導(SC)的有效拉格朗日量。詳細闡述Coleman-Weinberg機製在自發對稱性破缺中的角色。 3. 數值計算的基石: 深入介紹精確對角化(DMRG, ED)和濛特卡洛方法(Quantum Monte Carlo, QMC)在小係統和特定模型(如Hubbard模型、t-J模型)中的應用限製與優勢。探討在處理費米子符號問題時,數值方法的最新進展與策略。 4. 局域軌道理論與密度泛函理論(DFT)的拓展: 聚焦於描述電子結構計算中的關鍵瓶頸。詳細對比LDA、GGA以及引入Hubbard U項的DFT+U方法。探討如何通過DMFT(動態平均場理論)將局域強關聯效應融入到全晶體計算框架中,以準確描述 Mott 絕緣體和重費米子體係。 第三捲:復雜係統中的非平衡態動力學與時空調控 本捲將目光投嚮遠離熱平衡態的物理世界,探索瞬態激發、光誘導相變以及時空晶格的物理。 主要內容概述: 1. 瞬態光譜學與超快動力學: 探討利用飛秒激光或阿秒脈衝來探測材料的超快響應。內容涵蓋電子-電子、電子-聲子弛豫過程的皮秒級動力學。重點分析光晶格(Light-induced lattice dimerization)如何導緻材料在極短時間內進入全新的穩態或亞穩態。 2. 時空周期性調製的物理: 介紹如何通過周期性驅動(Floquet工程)來設計具有人工時間晶體結構或新型拓撲性質的係統。詳細闡述 Floquet 拓撲絕緣體和 Floquet 準晶體的能帶結構,以及如何區分穩態響應與準能級(Quasienergy)譜的物理意義。 3. 非平衡態下的統計力學: 闡述開放係統理論(如Lindblad方程)在處理與環境耦閤時的應用。討論久期(steady state)的定義、漲落耗散定理在非平衡態下的推廣,以及耗散如何穩定齣非傳統的凝聚態結構。 4. 相場晶體與復雜有序態: 探討係統中同時存在長程有序和短程漲落的復雜結構。分析相場晶體(如蜂窩狀結構)的形成機理,及其在液晶、軟物質或金屬閤金中的體現。 第四捲:低維和界麵物理:電子關聯的放大效應 本捲專注於二維(2D)及一維(1D)係統中,由於量子限製導緻的特殊物理現象。 主要內容概述: 1. 一維係統的貝裏相與荷爾斯滕格(Holstein-Primakoff)變換: 深入研究 Luttinger 液體的概念,探討電子在單通道中如何失去費米液體行為,轉變為無能隙的集體激發態。分析電荷密度波(CDW)和自鏇密度波(SDW)在低維係統中的魯棒性。 2. 二維材料的異質結與界麵效應: 探討兩種或多種二維材料(如 $ ext{MoS}_2$, $ ext{hBN}$, 石墨烯)的垂直堆疊如何創造齣新的物理平颱。重點討論範德華異質結中的電荷轉移、帶隙工程,以及超晶格結構誘導的莫爾(Moiré)超晶格物理。 3. 邊緣態與錶麵物理: 聚焦於材料錶麵的電子態如何受到環境影響(如吸附、氧化)。分析錶麵聲子模式、錶麵等離激元(Surface Plasmon Polaritons)的特性,以及這些錶麵激發如何影響器件的性能。 4. 量子限域與量子點、納米綫中的電荷動力學: 討論在極小尺度下,電子的庫侖阻塞效應、隧穿過程以及自鏇-軌道耦閤如何被顯著增強。分析如何利用這些係統進行單電子器件的構建和量子信息的編碼。 --- 本套書係將努力在理論的深度與計算的廣度之間架起橋梁,特彆強調現代物理學中多學科交叉的趨勢,為讀者提供一個全麵、前沿的凝聚態物理研究指南。