量子霍尔效应理论和实验的最新发展,第3版

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霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在导体内既垂直于磁场又垂直于电流的第三个方向的两个端面形成电荷堆积从而出现电势差，这一现象被称为霍尔效应。利用这一原理设计的各种霍尔器件作为传感器有着广泛的应用。

在霍尔效应发现约100年后，1980年，德国科学家冯・克利青发现了“整数量子霍尔效应”，并于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林给出了理论解释，并且他预言存在带有分数电荷的准粒子，该预言在1997年得到了实验证实。他们三个人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，这一点对量子霍尔效应的实际应用有极为重要的意义。但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径，使得这种“量子反常霍尔效应”的探索成为多年来该领域的一个的极具挑战性的任务。最近，中国科学家在这方面取得了一些突破性进展，引起了国内外广泛的关注。

量子霍尔效应是凝聚态物理中一种非常奇特的现象，它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。它不仅深刻地反映了物理学的基本原理，也使物理学乃至数学的拓扑研究中一些现代概念得到了具体的实现，同时还提供了实现凝聚态物理与粒子物理交叉的难得的机会。作者认为它值得做为物理学所有相关专业的研究生修习的一门课程。

本书是以服务于教学为宗旨的一部教科书，对于量子霍尔效应涉及的各方面知识和最新发展起来的一些新概念给出了启发性的、全面而自成系统的阐述。本书的第1版于2000年出版，7年之后考虑到该领域在理论与实验方面取得的许多新的进展，作者于2008年出版了该书的第2版，对第1版进行了全面修订，不仅增加了一些章节，有的部分被完全改写了。（对于第2版的评介，请参考本刊2008年第8期。该书于2012年底由北京大学出版社影印出版。）这里评介的是2013年出版的第3版。

与第2版相比，第3版内容由原4个部分扩充为5个部分，由32章扩充为41章。第1部分 量子场论，包括第1-8章：1.量子力学；2.量子场论；3.正则量子化；4.自发对称性破缺；5.电磁场；6.Dirac场；7.拓朴孤子；8.任意子。第2部分为单层量子霍尔系统，包括第9-22章：9.单层量子霍尔系统概述；10.兰道量子化；11.量子霍尔效应；12.准粒子与活化能；13.复合粒子场论；14.复合玻色子和半经典分析；15.量子霍尔铁磁体；16.自旋结构；17.分数量子霍尔状态的阶梯；18.边缘效应；19在更高阶兰道能级中的带和泡；20.石墨烯中的量子霍尔效应；21.聚硅烷（Silicene）中的量子霍尔效应； 22.拓扑绝缘子和无兰道能级的量子霍尔效应。第3部分为双层量子霍尔系统，包括第23-29章：23.双层量子霍尔系统概述；24.SU（2）赝自施结构；25.双层锁定态；26.层间相干与约瑟夫森效应；27.有公度相与非公度相； 28.SU（4）量子霍尔铁磁体； 29.υ=2的双层量子霍耳系统。第4部分 微观理论，包括第30-34章：30.微观理论概述；31.非对易几何学；32.兰道能级投影；33.非对易孤子；34.交换相互作用和等效理论。第5部分 最新的实验进展，包括35-41 章：35.新的实验进展概述； 36.量子霍尔态的实空间观测； 37.整数与分数量子霍尔系统的集团激发；38.量子霍尔区的超精细相互作用； 39.微波诱导非平衡现象； 40.电子双层超流现象；41.ZnO中的量子霍尔效应。

书末有一个附录，收集了16项书中提到的数学知识的介绍，并分别给出了简明扼要的证明。对于使用全文有很大帮助。

本书内容非常丰富、新颖，论述异常深入细致，适用于凝聚态物理、粒子物理、理论物理及数学物理的研究生做为教材，对相关领域的研究人员也是一本很重要的参考书。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）