目錄
序言
第1章 全量子效應問題概述 1
1.1 薛定諤方程與近似求解 1
1.2 全量子效應概念的提出 9
1.3 計算方法與測量技術的發(fā)展 14
1.3.1 計算方法 14
1.3.2 測量技術 21
1.4 全量子效應研究的主要挑戰(zhàn) 35
1.5 舉例：水的全量子效應研究 40
第2章 全量子效應的物理問題 48
2.1 核量子效應 49
2.1.1 原子結構 49
2.1.2 電子結構 55
2.1.3 熱力學性質 58
2.1.4 光學性質 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 超導性質 73
2.2 非絕熱效應 76
2.2.1 原子碰撞 78
2.2.2 原子振動 81
2.2.3 超快電荷轉移 84
2.2.4 電子與聲子耦合 86
2.2.5 光場驅動相變 89
2.2.6 光場調控電荷密度波 93
第3章 全量子效應的化學問題 95
3.1 化學反應過渡態(tài)理論 98
3.2 核量子效應 102
3.2.1 表面催化反應 102
3.2.2 超冷化學反應 105
3.2.3 有機化學反應 107
3.2.4 電化學反應 109
3.2.5 生命起源假說與生化反應 111
3.2.6 酶催化反應 113
3.3 非絕熱效應 116
3.3.1 弛豫動力學反應 116
3.3.2 多勢能面非絕熱演化 117
3.3.3 光化學反應與水解離 118
第4章 理論基礎：電子結構 126
4.1 全量子效應理論方法概述 127
4.2 玻恩-黃展開 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聯(lián)項 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 擴散蒙特卡洛方法 154
4.5.3 舉例：半導體量子阱中的激子問題 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)電子結構和GW方法 162
4.6.1 激發(fā)態(tài)電子結構 162
4.6.2 GW方法 163
4.7 常用電子結構計算程序介紹 165
第5章 全量子效應的理論研究 173
5.1 核量子效應模擬研究 174
5.1.1 路徑積分基本原理 175
5.1.2 核量子效應統(tǒng)計性質 177
5.1.3 核量子效應動力學性質 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 非絕熱效應模擬研究 207
5.3.1 勢能面躍遷方法 208
5.3.2 埃倫費斯特動力學方法 212
5.3.3 其他量子-經典混合動力學方法 215
5.4 非絕熱效應與核量子效應結合的一些嘗試 216
5.4.1 非絕熱動力學性質模擬 217
5.4.2 非絕熱反應速率的計算 219
5.4.3 舉例：光激發(fā)水二聚體中的質子轉移過程 221
5.5 全量子效應理論方法展望 223
第6章 全量子效應的實驗研究 225
6.1 技術方法 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 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 247
6.2 外場極端條件平臺 251
6.2.1 極低溫環(huán)境 251
6.2.2 超高壓環(huán)境 255
6.2.3 強磁場環(huán)境 260
6.2.4 超快超強激光技術 266
6.2.5 綜合極端條件 269
6.3 全量子效應實驗技術展望 272
第7章 全量子效應的典型體系：氫(H) 278
7.1 氫的核量子效應 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 290
7.2.1 單根氫鍵量子漲落 291
7.2.2 質子協(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 富氫化合物超導相變 303
7.4 富氫礦物晶體非線性光學性質 309
7.5 二維材料質子傳輸 310
7.6 體材料質子傳輸 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 全量子效應的典型體系：其他元素 325
8.1 氦(He) 325
8.1.1 超固態(tài)和質量輸運 326
8.1.2 缺陷運動以及塑性形變 328
8.1.3 比熱測量 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 化學鍵量子漲落 334
8.2.3 零點能擴散 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 碳有機分子 373
8.4.4 非晶碳 377
8.4.5 超導研究 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 能源問題中的全量子效應 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 氫原子吸附與擴散 395
9.2.2 氫氣產生與擴散 400
9.2.3 高密度氫 404
9.2.4 氫與表面催化 405
9.3 太陽能轉化 409
9.4 燃料電池 412
9.5 離子電池 414
第10章 環(huán)境問題中的全量子效應 417
10.1 宇宙的環(huán)境 417
10.2 自然界水問題 418
10.2.1 水分子吸附與擴散 418
10.2.2 體相水 423
10.2.3 水團簇 425
10.2.4 離子水合物 427
10.2.5 氟與水的催化反應 444
10.3 大氣化學 447
10.3.1 臭氧形成與轉化反應 447
10.3.2 羥亞磺�；�+氮氧化物反應 449
10.3.3 羥亞磺�；�+氮氧化物+水反應 452
第11章 全量子效應的器件應用 455
11.1 同位素量子過濾器件 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 鐵電翻轉調控 464
11.5.3 全量子效應鐵電功能器件 465
11.6 低維半導體器件穩(wěn)定性研究 467
附錄A 核量子效應與路徑積分分子動力學模擬程序 472
附錄B 非絕熱效應與第一性原理激發(fā)態(tài)動力學模擬程序 476
參考文獻 479
索引 536