01 / 読書ガイド
読書ガイド
引用
Kittel, C. (2004). Introduction to Solid State Physics (8th ed.). Wiley.
章の要約
第8版は22章と10の付録からなり、704ページである。ほとんどの章は要約と問題で終わる。出版社は、本書が一貫して形式的な数学よりも物理を重視し、学部生にも読みやすく、授業で扱いやすい本を目指してきたと述べている。順序は、結晶構造と格子振動から、金属・半導体中の電子へ進み、超伝導、磁性、光学的・誘電的性質を経て、表面、ナノ構造、無秩序と欠陥で終わる。
第1–3章：Crystal Structure／Wave Diffraction and the Reciprocal Lattice／Crystal Binding and Elastic Constants
格子と基底、基本的な格子の型、代表的な構造（塩化ナトリウム型、塩化セシウム型、六方最密充填、ダイヤモンド、閃亜鉛鉱型）。続いてブラッグ回折、逆格子ベクトルとブリルアンゾーン、構造因子。さらに不活性ガス結晶、イオン結晶、共有結合結晶、金属の結合と弾性ひずみの解析。
第4–5章：Phonons I. Crystal Vibrations／Phonons II. Thermal Properties
単原子鎖と二原子鎖の振動、弾性波の量子化とフォノン運動量。続いてフォノン比熱、デバイ模型とアインシュタイン模型、非調和効果、熱膨張、ウムクラップ過程を含む熱伝導。
第6–7章：Free Electron Fermi Gas／Energy Bands
自由電子気体：フェルミ–ディラック分布、比熱、電気伝導、ホール効果。第7章はほとんど自由な電子模型、ブロッホ関数、クローニッヒ–ペニー模型、中心方程式を通じてバンド理論を展開し、金属と絶縁体で終わる。
第8–9章：Semiconductor Crystals／Fermi Surfaces and Metals
バンドギャップ、正孔、有効質量、真性キャリアとドナー・アクセプタ準位、さらに熱電効果から超格子、ブロッホ振動子までの話題。第9章はフェルミ面の構成、強束縛法、ウィグナー–ザイツ法、擬ポテンシャル法、ドハース–ファンアルフェン効果を扱う。
第10–12章：Superconductivity／Diamagnetism and Paramagnetism／Ferromagnetism and Antiferromagnetism
超伝導の実験的概観と、ロンドン方程式からBCS理論、第II種超伝導体、ジョセフソン効果に至る理論。二つの磁性の章は、ランジュバンの反磁性、常磁性、結晶場効果、続いて強磁性・フェリ磁性・反強磁性の秩序、マグノン、磁区を扱う。
第13–16章：Magnetic Resonance／Plasmons, Polaritons, and Polarons／Optical Processes and Excitons／Dielectrics and Ferroelectrics
核・電子の共鳴（メーザーとレーザーの節を含む）、集団励起と遮蔽、光学反射率、クラマース–クローニッヒの関係、励起子、ラマン効果、そして誘電分極、局所場、強誘電相転移。
第17–18章：Surface and Interface Physics／Nanostructures
第17章は表面の再構成、量子ホール効果、p–n接合、ヘテロ構造、発光ダイオード、半導体レーザーを扱う。第18章はこの版で新しく、Paul McEuenが執筆しており、イメージング技術、1次元・0次元系の電子構造と輸送、ランダウアー公式、クーロン振動、ナノ構造の振動特性を扱う。
第19–22章：Noncrystalline Solids／Point Defects／Dislocations／Alloys
ガラスとアモルファス材料、空孔・拡散・色中心、転位と材料の強度、状態図を含む合金。付録A–Jは、エワルド格子和、フォノンの量子化、フェルミ–ディラック分布、ボルツマン輸送方程式、クーパー対、ギンツブルク–ランダウ方程式などを扱う。
主要概念
- 逆格子とブリルアンゾーン：波の回折、そして後のバンドやフォノンの議論全体の枠組み（第2章）。
- フォノン：量子化された格子振動とその比熱（第4–5章）。
- 自由電子フェルミ気体：金属中の電子の最も単純な模型（第6章）。
- ブロッホ関数とエネルギーバンド：周期ポテンシャル中の電子（第7章）。
- 正孔と有効質量：半導体中のキャリア（第8章）。
- フェルミ面：その構成と測定（第9章）。
- 超伝導：ロンドン方程式、BCS理論、ジョセフソン効果（第10章）。
- 磁気秩序とマグノン：強磁性、フェリ磁性、反強磁性（第11–12章）。
- ナノ構造：低次元における量子コンダクタンスとクーロンブロッケード（第18章）。
批判的分析
長所
- 形式より物理。 出版社は形式的な数学より物理的内容を重視していると述べ、この版では重要な式がSI単位とCGSガウス単位で異なる場合に両方で繰り返されている。
- 一冊での広い範囲。 22章で、構造、振動、電子、半導体、超伝導、磁性、光学、誘電体、表面、欠陥、合金と、この分野の大部分に触れる。
- 一貫した章の形。 ほとんどの章が要約と問題で終わり、目次は各章を多くの短い節に細分しているので、話題を探しやすい。
- ナノ構造の章。 第8版には専門家によるナノ物理の章が加わり、古典的な内容とメゾスコピック輸送やクーロンブロッケードとを結びつけている。
短所
- 簡潔な記述。 704ページに22章なので、1章は平均約30ページであり、目次が示すように多くの話題が数ページの節にとどまる。ある話題をより丁寧に段階を追って学びたい読者は補助的な本が必要になる。
- 最近の進展。 出版社が特に挙げる新しい内容はナノ物理の章であり、近年のトポロジカル相や多体系の進展は目次に現れない。
- 前提知識。 Wileyは学部生にも読みやすいと述べているが、サイトは中級の量子力学と統計力学を前提としている。生成・消滅演算子を用いるフォノン量子化やボルツマン輸送方程式の付録は、その素養を前提とする。
コースにおける位置づけ
Kittelはこの分野で確立した総合的な教科書であり、このコースの他の本の基準点になる。HofmannのSolid State Physics: An Introductionは、初めてこの分野に出会う学生のための短くやさしい本である。Hook & HallのSolid State PhysicsはManchester Physics Seriesの入門書で、形式的な道具立てより物理的な考え方を重視する。SimonのThe Oxford Solid State Basicsは推論を省かず示す簡潔な1学期用コースであり、Ibach & LüthのSolid-State Physicsは理論に測定技術のパネルを組み合わせ、材料科学を意識している。これらはKittelの前に最初の通読として使うことも、Kittelが簡潔にしか扱わない話題の分かりやすい二度目の説明として使うこともできる。
GirvinとYangのModern Condensed Matter Physicsは大学院レベルの続編である。同じ基礎から出発しつつメゾスコピック物理、トポロジカル相、量子磁性を加えており、Kittelの次に進む本として自然である。
本書の使い方
物理、材料科学、電気工学の学部生向けで、大学院生の参考書としても使える。中級の量子力学と統計力学を前提とする。
1学期の核となる進め方：第1–2章（構造と回折）、第4–5章（フォノン）、第6–9章（電子、バンド、半導体、フェルミ面）、第10–12章（超伝導と磁性）。残りの章はほぼ独立したモジュールであり、コースに応じて第13–16章（共鳴、集団励起、光学、誘電体）、第17–18章（表面とナノ構造）、第19–22章（無秩序固体、欠陥、合金）から選ぶ。第3章は選んで読んでよい。章末問題は各章を読みながら解き、読了後は索引と数多くの物性値の表を参照用に使う。