本书从电磁物理理论出发，重点阐述了在量子效应、尺寸效应和介质运动效应作用下的麦克斯韦方程最新拓展与应用，以及这些效应在纳米尺度电子和光学器件中的影响。这是迄今为止系统地介绍在此环境下麦克斯韦方程理论、实验和应用研究的最新拓展的首部专著。首先，讨论了麦克斯韦方程组与量子场论结合及其量子化，为量子电磁场技术前沿应用奠定了理论基础，进而阐述了麦克斯韦方程组与薛定谔方程的耦合以及极小尺度下的量子隧穿效应，为极小特征尺寸的电子光子器件及系统工程提供非经典的微观电磁场理论设计实用性框架。其次，介绍了在低速近似条件(远小于光速)下，从机械激励介质系统出发推导出动生麦克斯韦方程组，实现了在电-磁-力三场耦合情况下电磁理论的系统描述。最后，对于固定局域运动的介质，通过定义等效的电场和磁场，讨论了简化的动生麦克斯韦方程组解析解及其实际工程应用。

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1989.01-1992.01 英国谢菲尔德荷兰大学电子信息工程, 获博士学位 1983.09-1986.05 西安交通大学电气工程, 获硕士学位 1979.09-1983.07 河北工业大学电气工程,获学士学位2022年8月-今 浙江大学信息与电子工程学求是讲席教授，信息学部副主任 2016年4月-22年7月 浙江大学-伊利诺伊大学联合学院首任院长 2016-今 伊利诺伊大学厄巴钠香槟校区电气与计算机工程兼职教授 2014-2016 浙江大学信息与电子工程学特聘教授 2013-2015 新加坡南洋理工大学物理系兼职教授电子科学及技术2022 当选新加坡工程院院士

目录
前言
中–英名称对照表
第1章 经典麦克斯韦方程组.1
1.1 电场的高斯定理 1
1.2 磁场的高斯定理 3
1.3 安培定律 4
1.4 法拉第电磁感应定律 7
1.4.1 动生电动势 .9
1.4.2 感生电动势 10
1.5 电荷守恒定律.13
1.6 麦克斯韦位移电流 14
1.7 安培–麦克斯韦定律 15
1.8 电位移矢量 17
1.9 麦克斯韦方程组的微分形式 19
1.9.1 基本形式 19
1.9.2 存在介质时的情形 20
1.10 麦克斯韦方程组的积分形式 20
1.11 麦克斯韦方程组的发展历史 22
1.12 总结.24
参考文献 25
第2章 麦克斯韦方程组的量子效应.27
2.1 麦克斯韦方程量子化的条件及意义 27
2.2 麦克斯韦方程的哈密顿量 27
2.2.1 电磁势的引入 29
2.2.2 矢量磁位与横向电场 29
2.2.3 哈密顿量与哈密顿方程 33
2.3 电磁场哈密顿量的本征模分解 35
2.3.1 自由空间 37
2.3.2 非均质介质 39
2.4 基于模式分解的量子化方法 40
2.4.1 经典谐振子的量子化及对易关系.40
2.4.2 湮灭与产生算符 40
2.4.3 电磁场的量子化形式及物理意义.42
2.5 基于朗之万源的量子化方法 43
2.5.1 模式分解方法的困境 43
2.5.2 色散介质哈密顿量的建立 44
2.5.3 朗之万噪声源的引入 45
2.5.4 涨落耗散定理 49
2.6 量子化麦克斯韦方程的应用 53
2.6.1 自发辐射与拉比劈裂 53
2.6.2 卡西米尔力 57
2.6.3 单光子与纠缠光子散射 59
2.7 总结 61
参考文献 62
第3章 麦克斯韦方程的尺度效应 65
3.1 麦克斯韦方程的本构关系与不适用条件.65
3.2 非线性效应和介观模型的主导方程 66
3.2.1 玻尔兹曼方程 66
3.2.2 流体动力学模型与太赫兹源 70
3.2.3 非线性效应和高阶谐波产生的现象描述 74
3.3 电磁场与微观粒子相互作用 75
3.3.1 外电磁场作用下的薛定谔方程.75
3.3.2 规范不变性 77
3.3.3 偶极近似 78
3.3.3.1 电偶极近似 78
3.3.3.2 偶极近似下的含时薛定谔方程 79
3.3.4 麦克斯韦–薛定谔耦合方程框架.79
3.3.4.1 偶极近似下的麦克斯韦–薛定谔耦合方程框架 79
3.3.4.2 非偶极近似下的麦克斯韦–薛定谔耦合方程框架 80
3.3.5 FDTD 仿真求解麦克斯韦–薛定谔耦合方程 81
3.3.5.1 基于时域有限差分的数值差分策略.81
3.3.5.2 电磁场控制纳米管中量子态转换的数值模拟 85
3.3.6 外加电磁场作用下的光学布洛赫方程 .89
3.3.6.1 光学布洛赫方程的相互作用哈密顿算子.89
3.3.6.2 基于势函数和光布洛赫方程的电磁–量子耦合系统 90
3.3.6.3 势函数和光学布洛赫方程的数值解法.91
3.3.6.4 量子态跃迁问题的数值模拟 92
3.4 微观物质的波动效应 93
3.4.1 时域密度泛函理论 93
3.4.1.1 Hohenberg-Kohn定理 93
3.4.1.2 Runge-Gross定理 94
3.4.1.3 随时间变化的Kohn-Sham方程.95
3.4.1.4 随时间密度泛函理论 96
3.4.2 紧束缚模型与Kane-Parry近似 97
3.4.2.1 紧束缚模型 97
3.4.2.2 Kane-Parry近似 98
3.5 经典和量子等离激元相互作用的混合模型 99
3.5.1 石墨烯纳米片的量子等离激元 101
3.5.2 领结型纳米天线的经典等离激元 103
3.5.3 经典等离激元与量子等离激元之间的相互作用 105
3.6 总结.107
参考文献 107
第4章 麦克斯韦方程于微纳尺度的电子与光电子器件分析 111
4.1 纳米尺度级电子器件的麦克斯韦方程 111
4.1.1 准静态电磁近似和纳米电子器件中的量子输运 111
4.1.2 泊松方程与定态量子输运方程的数值求解方法 111
4.1.2.1 非平衡格林函数理论 112
4.1.2.2 k？p哈密顿量 113
4.1.3 泊松方程和含时量子输运方程的数值解法 .116
4.1.3.1 建模仿真方法 116
4.1.3.2 含时量子输运时域有限差分数值方法 118
4.1.3.3 数值结果和讨论 120
4.2 用于纳米光电子器件的麦克斯韦方程 125
4.2.1 麦克斯韦方程和含时量子输运方程 125
4.2.2 麦克斯韦方程和含时量子输运方程的数值解法 126
4.3 量子光学器件 130
4.3.1 半导体量子点 130
4.3.2 基本原理 131
4.3.3 二能级系统–微腔相互作用 134
4.4 小结.138
参考文献 139
第5章 纳米尺度麦克斯韦方程量子修正及实验验证 143
5.1 引言.143
5.2 量子电荷转移等离激元纳米器件的经典电磁特性分析 144
5.3 亚纳米间隙二聚体中量子效应的解决方法 145
5.4 空间电荷量子修正模型 147
5.5 纳米金属–真空–金属二聚体中的隧穿电荷转移等离激元.152
5.5.1 直接隧穿和Fowler-Nordheim隧穿 152
5.5.2 隧穿电荷转移等离激元的可调特性 154
5.6 纳米金属–分子–金属二聚体建模 155
5.6.1 通过量子力学模型进行正向计算 156
5.6.2 使用电容模型进行反向计算 157
5.7 Ag-SAM-Ag二聚体隧穿电荷转移等离激元.157
5.7.1 Ag-SAM-Ag二聚体的制备.158
5.7.2 隧穿间隙 159
5.7.3 隧穿电荷转移等离激元的测量 159
5.7.4 隧穿电荷转移等离激元的模拟 161
5.8 仿真和实验结果 163
5.8.1 Ag-SAM-Ag二聚体的等离激元模式 163
5.8.2 贯穿空间隧穿与贯穿键隧穿 165
5.8.3 穿过大间隙二聚体的隧穿 166
5.9 任意分子结隧穿电荷转移等离激元的预测 167
5.9.1 任意Ag-SAM-Ag二聚体的隧穿电荷转移等离激元 167
5.9.2 用不同分子结绘制等离激元共振能量图.169
5.9.3 绘制制备的Ag-EDT-Ag和Ag-BDT-Ag二聚体的图谱 170
5.10 总结 171
参考文献 172
第6章 自由空间中运动观测者的电动力学 175
6.1 狭义相对论原理 175
6.2 洛伦兹变换 177
6.2.1 自由空间中的洛伦兹变换 177
6.2.2 洛伦兹变换中的光速不变性 181
6.2.3 洛伦兹变换的四维形式 183
6.3 惯性运动参考系中电磁场的关系 185
6.4 协变形式的麦克斯韦方程组 187
6.4.1 麦克斯韦方程组的协变性 189
6.4.2 本构关系 198
6.4.3 介质的各种色散关系 199
6.5 各向异性空间中的狭义相对论.201
6.6 总结.202
参考文献 203
第7章 运动物体系统的动生麦克斯韦方程组理论体系 206
7.1 引言.206
7.2 伽利略时空 207
7.3 伽利略电磁学 210
7.3.1 电极限 210
7.3.2 磁极限 211
7.4 运动物体的法拉第定律 212
7.5 运动物体的安培–麦克斯韦定律 218
7.6 动生麦克斯韦方程组218
7.7 多运动物体的位移矢量 219
7.7.1 动生极化 219
7.7.2 Ps 的计算 220
7.7.3 多物体系统的动生麦克斯韦方程组 221
7.8 边界条件 222
7.9 能量守恒 223
7.10 动生麦克斯韦方程组的数学求解 223
7.10.1 时域空间中的微扰理论 225
7.10.2 频域空间中的微扰理论 228
7.10.3 矢量势方法 230
7.10.3.1 假设 230
7.10.3.2 求解 231
7.10.3.3 扩展的四维空间 231
7.10.3.4 拉格朗日函数 232
7.10.4 近似方法 233
7.11 动生麦克斯韦方程组在时域空间的形式解 235
7.11.1 本构关系的一般方法 235
7.11.2 忽略介质色散时在时域空间的求解 237
7.11.3 在时域空间的边界条件 239
7.12 动生麦克斯韦方程组在频域空间的解.241
7.12.1 包含本构关系和介质色散的一般方法.241
7.12.2 一般求解 243
7.12.3 在频域空间的边界条件 244
7.13 与狭义相对论的关系.246
7.13.1 真空中的运动和运动物体 246
7.13.2 麦克斯韦方程组在运动介质中是协变的吗 .246
7.13.3 关于洛伦兹变换 248
7.14 与现有理论的比较 249
7.14.1 闵可夫斯基公式 249
7.14.2 Chu公式.250
7.14.3 王氏公式 251
7.15 动生麦克斯韦方程组的创新贡献 252
7.16 总结 254
参考文献 254
第8章 工程技术中动生麦克斯韦方程组的等效电磁场理论 256
8.1 引言.256
8.2 等效电磁场理论 256
8.3 等效电磁场理论在时间空间的特解 258
8.4 等效电磁场理论在频率空间的特解 259
8.5 等效电磁场的亥姆霍兹方程理论 261
8.5.1 时间空间求解 261
8.5.1.1 一般情况 261
8.5.1.2 柱坐标系中围绕z轴旋转的情况 263
8.5.2 频率空间求解 263
8.6 动生麦克斯韦方程组在工程电磁学中的应用 264
8.6.1 关于经典电动力学对于转动物体的电磁学现象的处理 264
8.6.2 纳米发电机输出功率的计算 265
8.6.3 应用：平面波在转动界面的反射和透射.266
8.7 拓展动生麦克斯韦方程组到高速运动物体——相对论效应 269
8.8 验证动生麦克斯韦方程组的相关实验 271
8.8.1 伦琴和艾肯瓦尔德实验的解释 271
8.8.2 恒定磁场中转动介质盘的电磁辐射 272
8.8.3 声音触发的摩擦纳米发电机产生的水下电磁波传输 274
8.8.4 利用摩擦纳米发电机产生的位移电流实现的无线功率传输 274
8.9 总结与潜在应用 276
参考文献 277
附录A 基本向量计算 278
附录B 280