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相变无疑是物理学中的最重要的现象之一。对于相变的研究贯穿整个物理学,甚至是人类文明史。而现代物理学中,与相变息息相关的一个方法就是重正化群方法,其概念和思想已经渗透于物理学的各个领域。《中外物理学精品书系:相变与重正化群(英文影印版)》的引进,能够供所有物理学领域的工作者作为参考。
内容简介
《中外物理学精品书系:相变与重正化群(英文影印版)》详细讨论了相变与重正化群的关系。特别是相变中的连续极限、相干长度及标度律等等。本书适合所有物理学领域的科研工作者和研究生阅读。
作者简介
(法)齐恩-朱斯坦,法国原子研究中心教授。
目录
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
中外物理学精品书系:凝聚态物理前沿探索 本套书系专注于呈现凝聚态物理学领域最具影响力和创新性的研究成果与经典理论框架,旨在为广大物理学研究者、高年级本科生及研究生提供一个深入理解物质奇异特性的窗口。我们将精选那些在理论创新、实验突破或对学科发展具有里程碑意义的著作,力求构建一个涵盖从微观动力学到宏观集体行为的完整知识体系。 第一卷:量子材料的拓扑性质与新奇电子态 本卷聚焦于近年来凝聚态物理中最热门的分支之一:拓扑物态。我们将探讨如何利用群论、K理论以及紧束缚模型等工具,对具有非平凡拓扑结构的材料进行分类和描述。 主要内容概述: 1. 晶体与空间反演对称性下的拓扑不变量: 深入解析时间反演对称性和晶体对称性在决定拓扑绝缘体和拓扑半金属中的关键作用。内容将涵盖费米面附近的能带反演、狄拉克锥和外尔点的形成机制,以及如何通过第一性原理计算预测新的拓扑材料。 2. 高阶拓扑相与新型界面效应: 超越传统的体态拓扑不变量,本卷将详细介绍高阶拓扑绝缘体(OTIs)和高阶拓扑超导体(OTSCs)的概念。重点讨论其在边缘和角点处暴露出的零维或一维激发态,例如洪德尔费米子(Hopfions)和傅里叶-霍夫曼边缘模式。 3. 二维电子气中的分数霍尔效应与魔角石墨烯: 专题讨论在强磁场或特定几何结构下产生的强关联电子态。内容将涵盖朗道能级理论的推广、平坦能带的起源,以及分数霍尔效应中准粒子激发所携带的分数电荷和非阿贝尔统计的实验证据。此外,对魔角石墨烯(MATBG)的Moiré物理学进行深度剖析,包括其超导、绝缘相的起源及其在模拟复杂量子多体问题中的潜力。 4. 拓扑缺陷与畴壁动力学: 探讨材料生长过程中形成的晶格缺陷(如位错、堆垛层错)如何影响拓扑保护的边缘态。分析畴壁处的能带结构,以及在电场或应力作用下,这些缺陷驱动的拓扑相变行为。 第二卷:强关联系统的精确求解方法与有效场论 本卷着重于理论物理的核心挑战——如何精确处理电子间的库仑相互作用。我们将梳理从微扰理论到数值计算的各种强大工具。 主要内容概述: 1. 格林函数方法与多体微扰论: 系统回顾费曼图技术在处理电子-电子、电子-声子相互作用中的应用。重点阐述自能函数(Self-Energy)的构建,如Hartree-Fock、RPA(随机相位近似)以及更高阶的修正(如GW近似)。讨论如何利用路径积分表述来处理高温超导中的非常规配对机理。 2. 场论方法在凝聚态中的应用: 介绍如何将量子场论的工具引入到凝聚态问题中。包括如何构造描述磁性、电荷密度波(CDW)和超导(SC)的有效拉格朗日量。详细阐述Coleman-Weinberg机制在自发对称性破缺中的角色。 3. 数值计算的基石: 深入介绍精确对角化(DMRG, ED)和蒙特卡洛方法(Quantum Monte Carlo, QMC)在小系统和特定模型(如Hubbard模型、t-J模型)中的应用限制与优势。探讨在处理费米子符号问题时,数值方法的最新进展与策略。 4. 局域轨道理论与密度泛函理论(DFT)的拓展: 聚焦于描述电子结构计算中的关键瓶颈。详细对比LDA、GGA以及引入Hubbard U项的DFT+U方法。探讨如何通过DMFT(动态平均场理论)将局域强关联效应融入到全晶体计算框架中,以准确描述 Mott 绝缘体和重费米子体系。 第三卷:复杂系统中的非平衡态动力学与时空调控 本卷将目光投向远离热平衡态的物理世界,探索瞬态激发、光诱导相变以及时空晶格的物理。 主要内容概述: 1. 瞬态光谱学与超快动力学: 探讨利用飞秒激光或阿秒脉冲来探测材料的超快响应。内容涵盖电子-电子、电子-声子弛豫过程的皮秒级动力学。重点分析光晶格(Light-induced lattice dimerization)如何导致材料在极短时间内进入全新的稳态或亚稳态。 2. 时空周期性调制的物理: 介绍如何通过周期性驱动(Floquet工程)来设计具有人工时间晶体结构或新型拓扑性质的系统。详细阐述 Floquet 拓扑绝缘体和 Floquet 准晶体的能带结构,以及如何区分稳态响应与准能级(Quasienergy)谱的物理意义。 3. 非平衡态下的统计力学: 阐述开放系统理论(如Lindblad方程)在处理与环境耦合时的应用。讨论久期(steady state)的定义、涨落耗散定理在非平衡态下的推广,以及耗散如何稳定出非传统的凝聚态结构。 4. 相场晶体与复杂有序态: 探讨系统中同时存在长程有序和短程涨落的复杂结构。分析相场晶体(如蜂窝状结构)的形成机理,及其在液晶、软物质或金属合金中的体现。 第四卷:低维和界面物理:电子关联的放大效应 本卷专注于二维(2D)及一维(1D)系统中,由于量子限制导致的特殊物理现象。 主要内容概述: 1. 一维系统的贝里相与荷尔斯滕格(Holstein-Primakoff)变换: 深入研究 Luttinger 液体的概念,探讨电子在单通道中如何失去费米液体行为,转变为无能隙的集体激发态。分析电荷密度波(CDW)和自旋密度波(SDW)在低维系统中的鲁棒性。 2. 二维材料的异质结与界面效应: 探讨两种或多种二维材料(如 $ ext{MoS}_2$, $ ext{hBN}$, 石墨烯)的垂直堆叠如何创造出新的物理平台。重点讨论范德华异质结中的电荷转移、带隙工程,以及超晶格结构诱导的莫尔(Moiré)超晶格物理。 3. 边缘态与表面物理: 聚焦于材料表面的电子态如何受到环境影响(如吸附、氧化)。分析表面声子模式、表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons)的特性,以及这些表面激发如何影响器件的性能。 4. 量子限域与量子点、纳米线中的电荷动力学: 讨论在极小尺度下,电子的库仑阻塞效应、隧穿过程以及自旋-轨道耦合如何被显著增强。分析如何利用这些系统进行单电子器件的构建和量子信息的编码。 --- 本套书系将努力在理论的深度与计算的广度之间架起桥梁,特别强调现代物理学中多学科交叉的趋势,为读者提供一个全面、前沿的凝聚态物理研究指南。