目錄
序言
第1章 全量子效應(yīng)問(wèn)題概述 1
1.1 薛定諤方程與近似求解 1
1.2 全量子效應(yīng)概念的提出 9
1.3 計(jì)算方法與測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 14
1.3.1 計(jì)算方法 14
1.3.2 測(cè)量技術(shù) 21
1.4 全量子效應(yīng)研究的主要挑戰(zhàn) 35
1.5 舉例：水的全量子效應(yīng)研究 40
第2章 全量子效應(yīng)的物理問(wèn)題 48
2.1 核量子效應(yīng) 49
2.1.1 原子結(jié)構(gòu) 49
2.1.2 電子結(jié)構(gòu) 55
2.1.3 熱力學(xué)性質(zhì) 58
2.1.4 光學(xué)性質(zhì) 62
2.1.5 量子順電現(xiàn)象 69
2.1.6 超流體、超固體和量子缺陷 72
2.1.7 超導(dǎo)性質(zhì) 73
2.2 非絕熱效應(yīng) 76
2.2.1 原子碰撞 78
2.2.2 原子振動(dòng) 81
2.2.3 超快電荷轉(zhuǎn)移 84
2.2.4 電子與聲子耦合 86
2.2.5 光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)相變 89
2.2.6 光場(chǎng)調(diào)控電荷密度波 93
第3章 全量子效應(yīng)的化學(xué)問(wèn)題 95
3.1 化學(xué)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)理論 98
3.2 核量子效應(yīng) 102
3.2.1 表面催化反應(yīng) 102
3.2.2 超冷化學(xué)反應(yīng) 105
3.2.3 有機(jī)化學(xué)反應(yīng) 107
3.2.4 電化學(xué)反應(yīng) 109
3.2.5 生命起源假說(shuō)與生化反應(yīng) 111
3.2.6 酶催化反應(yīng) 113
3.3 非絕熱效應(yīng) 116
3.3.1 弛豫動(dòng)力學(xué)反應(yīng) 116
3.3.2 多勢(shì)能面非絕熱演化 117
3.3.3 光化學(xué)反應(yīng)與水解離 118
第4章 理論基礎(chǔ)：電子結(jié)構(gòu) 126
4.1 全量子效應(yīng)理論方法概述 127
4.2 玻恩-黃展開(kāi) 131
4.3 波函數(shù)方法 137
4.3.1 Hartree方法 138
4.3.2 Hartree-Fock方法 139
4.3.3 后Hartree-Fock方法 141
4.4 密度泛函理論141
4.4.1 Thomas-Fermi模型及推廣 142
4.4.2 密度泛函理論與交換關(guān)聯(lián)項(xiàng) 144
4.5 量子蒙特卡洛方法 150
4.5.1 變分蒙特卡洛方法 152
4.5.2 擴(kuò)散蒙特卡洛方法 154
4.5.3 舉例：半導(dǎo)體量子阱中的激子問(wèn)題 156
4.5.4 全組態(tài)相互作用量子蒙特卡洛方法 159
4.6 激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)和GW方法 162
4.6.1 激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu) 162
4.6.2 GW方法 163
4.7 常用電子結(jié)構(gòu)計(jì)算程序介紹 165
第5章 全量子效應(yīng)的理論研究 173
5.1 核量子效應(yīng)模擬研究 174
5.1.1 路徑積分基本原理 175
5.1.2 核量子效應(yīng)統(tǒng)計(jì)性質(zhì) 177
5.1.3 核量子效應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì) 180
5.2 第一性原理的電-聲耦合研究 193
5.2.1 電-聲耦合的微擾方法 194
5.2.2 電-聲耦合的非微擾方法 203
5.3 非絕熱效應(yīng)模擬研究 207
5.3.1 勢(shì)能面躍遷方法 208
5.3.2 埃倫費(fèi)斯特動(dòng)力學(xué)方法 212
5.3.3 其他量子-經(jīng)典混合動(dòng)力學(xué)方法 215
5.4 非絕熱效應(yīng)與核量子效應(yīng)結(jié)合的一些嘗試 216
5.4.1 非絕熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)模擬 217
5.4.2 非絕熱反應(yīng)速率的計(jì)算 219
5.4.3 舉例：光激發(fā)水二聚體中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程 221
5.5 全量子效應(yīng)理論方法展望 223
第6章 全量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 225
6.1 技術(shù)方法 226
6.1.1 核磁共振 226
6.1.2 中子散射 228
6.1.3 X 射線散射 232
6.1.4 光譜技術(shù) 235
6.1.5 光電子能譜 241
6.1.6 電子散射 244
6.1.7 掃描探針技術(shù) 247
6.2 外場(chǎng)極端條件平臺(tái) 251
6.2.1 極低溫環(huán)境 251
6.2.2 超高壓環(huán)境 255
6.2.3 強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境 260
6.2.4 超快超強(qiáng)激光技術(shù) 266
6.2.5 綜合極端條件 269
6.3 全量子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)展望 272
第7章 全量子效應(yīng)的典型體系：氫(H) 278
7.1 氫的核量子效應(yīng) 279
7.1.1 高壓相圖 280
7.1.2 相變模擬 283
7.2 水的核量子效應(yīng) 290
7.2.1 單根氫鍵量子漲落 291
7.2.2 質(zhì)子協(xié)同量子隧穿 294
7.2.3 體相水與冰 296
7.2.4 限域水與冰 299
7.2.5 一維水分子鏈的量子相變 300
7.3 富氫化合物超導(dǎo)相變 303
7.4 富氫礦物晶體非線性光學(xué)性質(zhì) 309
7.5 二維材料質(zhì)子傳輸 310
7.6 體材料質(zhì)子傳輸 314
7.6.1 躍遷速率 314
7.6.2 量子化修正 315
7.6.3 鈣鈦礦體材料 317
7.7 DNA 自發(fā)突變 322
第8章 全量子效應(yīng)的典型體系：其他元素 325
8.1 氦(He) 325
8.1.1 超固態(tài)和質(zhì)量輸運(yùn) 326
8.1.2 缺陷運(yùn)動(dòng)以及塑性形變 328
8.1.3 比熱測(cè)量 328
8.1.4 表面電子態(tài) 330
8.2 鋰(Li) 331
8.2.1 高壓相變 331
8.2.2 化學(xué)鍵量子漲落 334
8.2.3 零點(diǎn)能擴(kuò)散 336
8.3 硼(B) 337
8.3.1 體相硼 338
8.3.2 硼烯 338
8.3.3 硼氮納米管 343
8.3.4 六方氮化硼 345
8.3.5 二硼化鎂 356
8.4 碳(C) 362
8.4.1 金剛石 362
8.4.2 石墨烯 370
8.4.3 碳有機(jī)分子 373
8.4.4 非晶碳 377
8.4.5 超導(dǎo)研究 379
8.5 氧(O) 383
8.5.1 鈦酸鍶 383
8.5.2 鋇鐵氧 386
8.6 硅(Si).389
8.6.1 反常熱膨脹 389
8.6.2 聲子輔助光吸收 391
第9章 能源問(wèn)題中的全量子效應(yīng) 392
9.1 宇宙的能量 393
9.1.1 恒星能源 393
9.1.2 行星能源 394
9.2 氫能 395
9.2.1 氫原子吸附與擴(kuò)散 395
9.2.2 氫氣產(chǎn)生與擴(kuò)散 400
9.2.3 高密度氫 404
9.2.4 氫與表面催化 405
9.3 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化 409
9.4 燃料電池 412
9.5 離子電池 414
第10章 環(huán)境問(wèn)題中的全量子效應(yīng) 417
10.1 宇宙的環(huán)境 417
10.2 自然界水問(wèn)題 418
10.2.1 水分子吸附與擴(kuò)散 418
10.2.2 體相水 423
10.2.3 水團(tuán)簇 425
10.2.4 離子水合物 427
10.2.5 氟與水的催化反應(yīng) 444
10.3 大氣化學(xué) 447
10.3.1 臭氧形成與轉(zhuǎn)化反應(yīng) 447
10.3.2 羥亞磺�；�+氮氧化物反應(yīng) 449
10.3.3 羥亞磺�；�+氮氧化物+水反應(yīng) 452
第11章 全量子效應(yīng)的器件應(yīng)用 455
11.1 同位素量子過(guò)濾器件 455
11.2 超靈敏量子隧穿器件 457
11.3 單光子發(fā)射器件及納米腔 460
11.4 高效固態(tài)中子探測(cè)器件 462
11.5 鐵電功能器件.463
11.5.1 鐵電相變 463
11.5.2 鐵電翻轉(zhuǎn)調(diào)控 464
11.5.3 全量子效應(yīng)鐵電功能器件 465
11.6 低維半導(dǎo)體器件穩(wěn)定性研究 467
附錄A 核量子效應(yīng)與路徑積分分子動(dòng)力學(xué)模擬程序 472
附錄B 非絕熱效應(yīng)與第一性原理激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬程序 476
參考文獻(xiàn) 479
索引 536