諾獎(jiǎng)巨磁電阻效應(yīng)與SXQ理論----SXQ理論應(yīng)用舉例（1）摘要：SXQ理論的主要成份是三旋，而三旋的核心是研究自旋。那么如果SXQ是講自旋，球量子有自旋，環(huán)量子有自旋，同是自旋，為什么環(huán)量子的自旋比球量子的自旋重要？特別是有人說(shuō)：巨磁電阻（GMR）效應(yīng)涉及自旋，龐磁電阻（CMR）效應(yīng)也涉及自旋，而且CMR是自旋世界美妙絕倫的一個(gè)例子，但為什么比拼到現(xiàn)在，CMR反而沒(méi)有得諾貝爾獎(jiǎng)，GMR得了諾貝爾獎(jiǎng)呢？關(guān)鍵詞：巨磁電阻、龐磁電阻、自旋、SXQ理論、哲學(xué)【0、引言】2007年10月科學(xué)界的最高盛典----瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)揭曉：法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾，因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)，共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巨磁阻效應(yīng)（GMR）是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。瑞典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，該諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)：“用于讀取硬盤(pán)數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤(pán)在近年來(lái)迅速變得越來(lái)越小”。諾貝爾評(píng)委會(huì)主席佩爾·卡爾松，用兩張圖片的對(duì)比，說(shuō)明巨磁阻的重大意義：一臺(tái)1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個(gè)如今非常普通、手掌般大小的硬盤(pán)；“正因?yàn)橛辛诉@兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲(chǔ)的信息量才得以大幅度提升”。巨磁阻是什么？巨磁阻又稱(chēng)特大磁電阻，龐磁電阻等，其磁電阻(MR)可高達(dá)10的6次方。我國(guó)有一位科研人員說(shuō)：“看看你的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，存儲(chǔ)能力有多大，就知道他們的貢獻(xiàn)有多大了”。諾貝爾獎(jiǎng)并不總是代表著深?yuàn)W的理論和艱澀的知識(shí)，它往往就在我們身邊。例如，根據(jù)該效應(yīng)開(kāi)發(fā)的小型大容量硬盤(pán)，已得到了廣泛的應(yīng)用：我們司空見(jiàn)慣的筆記本電腦、MP3、U盤(pán)等消費(fèi)品，就閃爍著巨磁阻效應(yīng)的科學(xué)光芒。磁阻效應(yīng)，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個(gè)納米厚）結(jié)構(gòu)中觀察到。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替迭合而成，當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。這里，巨磁阻效應(yīng)（GMR）或磁電阻(MR)，與自旋有關(guān)，是啥？自旋是啥？你真知道物理學(xué)原理的自旋嗎？這就是本文要講的SXQ理論，它在三個(gè)層次都聯(lián)系上龐加萊猜的層展和呈展。如此，稱(chēng)為“三旋/弦/圈理論”，簡(jiǎn)稱(chēng)為SXQ理論（由分別取“三旋”、“弦論”、“圈量子”的中文拼音第一個(gè)字母的大寫(xiě)S、X、Q組成）。即SXQ理論包含了所曾主要表達(dá)的數(shù)學(xué)和物理內(nèi)容，既有環(huán)量子三旋理論，又有超弦/M理論，還有圈量子引力理論等?！?、自旋重要從此開(kāi)始】1、讓你當(dāng)回“馬赫”赫赫有名的馬赫，是19世紀(jì)末20世紀(jì)初一位有影響的“革命的”奧地利物理學(xué)家。他以教條式堅(jiān)持的“物質(zhì)第一性”和“邏輯自洽性”兩個(gè)原則為武器，同著名化學(xué)家?jiàn)W斯特瓦爾德，共同對(duì)玻爾茲曼的“原子”研究發(fā)起了一場(chǎng)持久的攻擊。因?yàn)轳R赫認(rèn)為：科學(xué)界從未有人見(jiàn)到過(guò)一個(gè)原子，所以不承認(rèn)原子的存在，并認(rèn)為只有在實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)的說(shuō)法，才有科學(xué)意義。20世紀(jì)末21世紀(jì)初，多數(shù)物理學(xué)家都相信夸克是永遠(yuǎn)看不見(jiàn)的，它們被永久禁閉在強(qiáng)子之內(nèi)；而夸克模型的創(chuàng)立者，也承認(rèn)夸克原是一種數(shù)學(xué)虛構(gòu)。而三旋理論認(rèn)為：強(qiáng)子的子結(jié)構(gòu)，是一種環(huán)量子的自旋，說(shuō)白了，用環(huán)量子的三種自旋----面旋、體旋、線旋的數(shù)學(xué)編碼，可以描述強(qiáng)子的子結(jié)構(gòu)夸克密碼----這也是一種數(shù)學(xué)虛構(gòu)。如果你是當(dāng)代“革命的”的“馬赫”，應(yīng)怎么想呢？其實(shí)，教條式的“物質(zhì)第一性”和“邏輯自洽性”兩個(gè)原則，從古到今，都不是我們?nèi)Q(chēng)的唯物主義。例如，從古到今的人類(lèi)共同體驗(yàn)，都認(rèn)為我們的宇宙，可分為實(shí)體與虛空兩個(gè)部分，從而奠定了唯物主義的“一分為二”原則。這里實(shí)體，類(lèi)似的物質(zhì)，是“唯物”，難道虛空類(lèi)似的存在，就不是“唯物”？正是基于唯物主義的一分為二原則，實(shí)體就是實(shí)體，虛空就是虛空，但也存在實(shí)體中有虛空，虛空有實(shí)體的東西，從而又奠定了唯物主義的“辯證”原則。所以“一分為二”法，和“辯證”法兩個(gè)原則，才是唯物主義最基本的東西。球量子形態(tài)的實(shí)體或虛空，從結(jié)構(gòu)到功能都可作“物質(zhì)第一性”和“邏輯自洽性”兩個(gè)原則的描述。惟獨(dú)環(huán)量子的形態(tài)，是既有實(shí)體又有虛空，從結(jié)構(gòu)到功能作自旋數(shù)學(xué)編碼描述，取其“邏輯自洽性”原則和理想、對(duì)稱(chēng)原則，可有62種自旋態(tài)，比實(shí)體或虛空的球量子取其“邏輯自洽性”原則和理想、對(duì)稱(chēng)原則的兩種自旋態(tài)----左旋和右旋，多出54種自旋態(tài)。且從密碼學(xué)編碼的相容性和冗余性出發(fā)，取62種自旋態(tài)的環(huán)量子作強(qiáng)子的子結(jié)構(gòu)的相容性編碼，對(duì)應(yīng)“物質(zhì)第一性”和“邏輯自洽性”兩個(gè)原則描述稱(chēng)的“物質(zhì)”，那么62種自旋態(tài)相容性編碼之外的冗余性編碼，自然是“暗物質(zhì)”了。本來(lái)強(qiáng)子會(huì)像小小陀螺一樣自旋，這應(yīng)三旋理論跟強(qiáng)子理論能對(duì)“自旋”形象，與經(jīng)典力學(xué)有類(lèi)似共同認(rèn)識(shí)的一些地方，但強(qiáng)子理論又受傳統(tǒng)量子力學(xué)角動(dòng)量對(duì)“自旋”定義的影響，把自旋限定在整數(shù)和半整數(shù)的數(shù)學(xué)編碼框架里，根本不管經(jīng)典力學(xué)對(duì)自旋的形象思維，造成反“物質(zhì)第一性”和“邏輯自洽性”兩個(gè)原則描述的百年之痛。其實(shí)，這正是角動(dòng)量球量子形態(tài)描述的量子力學(xué)的實(shí)體或虛空?qǐng)D像自旋造成的，如果引進(jìn)環(huán)量子形態(tài)描述的自旋圖像，量子力學(xué)的整數(shù)和半整數(shù)的“自旋”定義的百年之痛，可用手征性分開(kāi)對(duì)應(yīng)解決。自旋世界如此重要，但總歸是一種數(shù)學(xué)描述，堅(jiān)持“物質(zhì)第一性”和“邏輯自洽性”兩個(gè)原則的人們，也許會(huì)為類(lèi)似夸克的存在狀態(tài)這類(lèi)問(wèn)題長(zhǎng)期爭(zhēng)論下去，那就讓你當(dāng)一回“馬赫”吧！2、巨磁電阻效應(yīng)解讀2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾，獲獎(jiǎng)的原因是，先后獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理效應(yīng)----“巨磁電阻”效應(yīng)。但這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的偉大之處還不僅如此，因?yàn)楫?dāng)時(shí)《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者就此采訪了該領(lǐng)域的我國(guó)4位學(xué)者，其中中國(guó)科技大學(xué)張?jiān)：阍菏空f(shuō)：“小到手表，大到宇宙，電子的電性有了充分利用，但是磁性一直沉睡著。1988年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，其科學(xué)意義在于第一次揭示了電子的另外一個(gè)行為----自旋的作用”。巨磁電阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率，在有外磁場(chǎng)作用時(shí)，較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應(yīng)開(kāi)發(fā)的小型大容量計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，已得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樵谥谱髯x取頭中加以應(yīng)用，它非常有助于從硬盤(pán)中讀取數(shù)據(jù)。眾所周知，硬盤(pán)能夠存儲(chǔ)包括音樂(lè)在內(nèi)的信息，這些信息被存在微小的磁化區(qū)，信息則通過(guò)記錄磁場(chǎng)變化的讀取器取出，而機(jī)器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，必須把用磁記錄的信息轉(zhuǎn)換成電流。硬盤(pán)越小，各個(gè)磁化區(qū)的面積也越小，磁化的程度也越弱。因此如果欲在一張硬盤(pán)中存儲(chǔ)更多信息，就需要更為靈敏的讀取器。強(qiáng)磁性材料在受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)引起的電阻變化，稱(chēng)為磁電阻效應(yīng)。巨磁電阻效應(yīng)是1988年發(fā)現(xiàn)的一種磁致電阻效應(yīng)，由于相對(duì)于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此名為巨磁電阻。1997年首個(gè)應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的讀取頭研制成功，基于巨磁電阻效應(yīng)原理制成的讀取器，它可以將細(xì)小的磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換成不同的電阻，使讀取器產(chǎn)生不同的電流，而電流是讀取器的信號(hào)，這很快成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，即便今天最新的讀取技術(shù)也均由巨磁電阻效應(yīng)發(fā)展而來(lái)。不論磁場(chǎng)與電流方向平行還是垂直，都將產(chǎn)生磁電阻效應(yīng)。平行的稱(chēng)為縱磁場(chǎng)效應(yīng)，垂直的稱(chēng)為橫磁場(chǎng)效應(yīng)。磁場(chǎng)引起的電阻變化與未加磁場(chǎng)時(shí)電阻之比，稱(chēng)為磁電阻率。一般強(qiáng)磁性材料的磁電阻率在室溫下小于8％，在低溫下可增加到10％以上。已實(shí)用的磁電阻材料主要有鎳鐵系和鎳鈷系磁性合金，室溫下鎳鐵系坡莫合金的磁電阻率約1％～3％，若合金中加入銅、鉻或錳元素，可使電阻率增加。鎳鈷系合金的電阻率較高，可達(dá)6％。與利用其他磁效應(yīng)相比，利用磁電阻效應(yīng)制成的換能器和傳感器，其裝置簡(jiǎn)單，對(duì)速度和頻率不敏感。磁電阻材料，已用于制造磁記錄磁頭、磁泡檢測(cè)器和磁膜存儲(chǔ)器的讀出器等。3、巨磁電阻傳感器原理巨磁電阻效應(yīng)，來(lái)自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場(chǎng)的作用不同，因而導(dǎo)致的電阻值的變化。這種效應(yīng)，只有在納米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)中才能觀測(cè)出來(lái)。賦以特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種效應(yīng)還可以調(diào)整以適應(yīng)各種不同的性能需要。例如，巨磁電阻傳感器，將四個(gè)巨磁電阻構(gòu)成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度；工作時(shí)電流輸入端接5V~20V的穩(wěn)壓電壓，輸出端在外磁場(chǎng)作用下即輸出電壓信號(hào)?！?、自旋重要第一次被揭示】電子的磁性被命名為“自旋”，這是1897年湯姆森發(fā)現(xiàn)電子具有電性24年之后的又一怪事。其實(shí)從三旋理論出發(fā)，這并不奇怪。三旋從唯象上說(shuō)，是一種兩群諦合結(jié)構(gòu)，即它包含類(lèi)圈結(jié)構(gòu)（ψ）和自旋結(jié)構(gòu)（Ω）：Ψ=ψΩ（2-1）由于環(huán)面與球面不同倫，對(duì)“自旋”像小小陀螺一樣的經(jīng)典力學(xué)圖像出發(fā)的物理語(yǔ)義學(xué)定義應(yīng)是，自旋：有固定的轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)點(diǎn)，能同時(shí)組織旋轉(zhuǎn)面，并能在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)找到同時(shí)對(duì)稱(chēng)的動(dòng)點(diǎn)，且軌跡重疊的旋轉(zhuǎn)。那么自轉(zhuǎn)應(yīng)是：有固定的轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)點(diǎn)，但不能同時(shí)組織旋轉(zhuǎn)面，也不能找到同時(shí)對(duì)稱(chēng)的動(dòng)點(diǎn)，或有對(duì)稱(chēng)動(dòng)點(diǎn)軌跡也不重疊的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)是：可以沒(méi)有固定的轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)點(diǎn)，不能同時(shí)組織旋轉(zhuǎn)面，也沒(méi)有同時(shí)對(duì)稱(chēng)的動(dòng)點(diǎn)，但軌跡是封閉線的旋轉(zhuǎn)。有了從經(jīng)典力學(xué)到量子力學(xué)對(duì)自旋的統(tǒng)一定義，那么對(duì)于環(huán)量子的類(lèi)圈體結(jié)構(gòu)應(yīng)有三種自旋。面旋：類(lèi)圈體繞垂直于圈面的軸的旋轉(zhuǎn)；體旋：類(lèi)圈體繞圈面內(nèi)的軸的旋轉(zhuǎn)；線旋：類(lèi)圈體繞體內(nèi)中心圈線的旋轉(zhuǎn)。其中體旋粗略地講類(lèi)似一種翻動(dòng)，可對(duì)應(yīng)宏觀的溫度效應(yīng)；面旋可對(duì)應(yīng)電子的電性，例如，電流從正極必然要流回負(fù)極實(shí)現(xiàn)循環(huán)；線旋可對(duì)應(yīng)電子的磁性，例如，當(dāng)外部磁場(chǎng)以稱(chēng)為通量線的一條條線束的形式穿透超導(dǎo)體時(shí)，就可能出現(xiàn)電阻，而通量線經(jīng)常被稱(chēng)為渦旋，在三旋中，渦旋屬于線旋。在陶瓷氧化物----鑭鈣錳氧中發(fā)現(xiàn)的高達(dá)125000%的磁阻效應(yīng)，稱(chēng)為龐磁電阻效應(yīng)。這類(lèi)隧穿磁電阻效應(yīng)，具有信息不易揮發(fā)、密度高、信號(hào)容量大的特點(diǎn)，有可能超越巨磁電阻技術(shù)；而且自旋用到量子計(jì)算等技術(shù)中，可以存儲(chǔ)海量信息。這一切用三旋理論很好理解：類(lèi)圈體同時(shí)能作三旋，設(shè)體旋為0狀態(tài)，面旋為1狀態(tài)；線旋類(lèi)似原子核磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)，它既能作方向定位又能對(duì)體旋和面旋方向進(jìn)行操作，而且是遠(yuǎn)距離、瞬時(shí)纏連的同時(shí)作用。這如花樣游泳運(yùn)動(dòng)員在水中除能作各種表演外，還能聽(tīng)令于岸上的指揮。例如，利用氯仿中氫核和碳核類(lèi)圈體似的三旋之間的相互作用，建造一個(gè)量子受控非門(mén)：用一個(gè)振蕩頻率為400兆赫（即射頻）的磁場(chǎng)，可以使被置于10特斯拉的恒定磁場(chǎng)（設(shè)箭頭沿垂線）內(nèi)的一個(gè)氫原子核圈發(fā)生體旋。設(shè)氫圈的面旋軸向不是朝上就是朝下，即圈面在垂直于恒定磁場(chǎng)的水平方向；再設(shè)碳圈的面旋軸向確定地朝上，即圈面也在水平方向，當(dāng)一個(gè)適當(dāng)?shù)纳漕l脈沖加上之后，可以使碳的圈面繞水平方向軸體旋到垂線方向，然后碳圈將繞著垂線方向軸繼續(xù)體旋，其體旋速度將取決于氯仿分子中氫圈的面旋軸向是否恰巧朝上。而經(jīng)百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間，碳圈的面旋軸向?qū)⒉皇浅暇褪浅?，這取決于鄰近的氫圈的面旋軸向是朝上或朝下。因?yàn)樵谀且凰查g再發(fā)射一個(gè)射頻脈沖，使碳的圈面再繞水平方向軸體旋90度，這樣，如果相鄰的氫圈的面旋軸向朝上，此操作就使碳圈的面旋軸向朝下；而如果相鄰的氫圈的面旋軸向朝下，它就使碳圈的面旋軸向朝上?？梢?jiàn)量子計(jì)算是借助于類(lèi)圈體的三旋轉(zhuǎn)動(dòng)及“受控非門(mén)”的操作，因?yàn)樽鳛檫@種邏輯門(mén)三旋基礎(chǔ)的面旋軸向可以處于朝上和朝下，以及體旋可以繞水平和垂線軸向轉(zhuǎn)動(dòng)這兩種狀態(tài)的迭加中，因此，量子計(jì)算可以同時(shí)對(duì)一組似乎互不相容的輸入進(jìn)行操作?？茖W(xué)家們認(rèn)為，量子計(jì)算中，量子效應(yīng)是幾率性、不可預(yù)測(cè)的，這導(dǎo)致器件工作不穩(wěn)定。目前超大規(guī)模集成電路在1平方厘米的面積上，可以集成10的7次方到10的8次方個(gè)電子元件，器件最小尺度是20納米，一旦小于這個(gè)尺寸，量子效應(yīng)開(kāi)始起作用，而傳統(tǒng)的工作原理如歐姆定理等就失效。由于巨磁電阻的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，以前分開(kāi)的電子學(xué)和磁學(xué)正在相互融合，這就是自旋電子學(xué)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的硅基芯片只利用了電子的一個(gè)自由度----電荷，而沒(méi)有用到自旋，量子計(jì)算要想突破這個(gè)尺寸，就必須利用電子的自旋，把自旋作為信息儲(chǔ)存、處理、輸運(yùn)的主體。利用了電子自旋來(lái)調(diào)控電子傳導(dǎo)，這是一個(gè)在室溫下用量子效應(yīng)制作器件的絕佳例子。【3、自旋世界的比較】SXQ理論的主要成份是三旋理論；21世紀(jì)初弦論走到龐加萊猜想，產(chǎn)生的第三次超弦革命，是把環(huán)量子三旋理論、超弦/M理論和圈量子引力理論等看成是同一種理論的三個(gè)層次，而能把它們統(tǒng)一起來(lái)。例如，單個(gè)環(huán)量子三旋的三類(lèi)62種自旋態(tài)，是62種圈態(tài)密碼，也形成一種量子自旋系綜，它的兩個(gè)層次：一是環(huán)量子聯(lián)系龐加萊猜想與唯象規(guī)范場(chǎng)和二次量子化引出的管線弦、套管弦等圖像，是和當(dāng)基底空間用一張二維的紙表示，卷繞粘接成一個(gè)圓筒時(shí)，這個(gè)彎曲的一維收縮成一個(gè)極小的圓，以致二維空間最終看起來(lái)就像是一維的直線一樣，而緊緊卷繞粘接起來(lái)的薄膜圓筒這時(shí)就類(lèi)似于弦的圖像。即弦理論只要堅(jiān)持任何時(shí)候它說(shuō)的開(kāi)弦或弦線，都不是實(shí)心的桿線弦，而是空心的管線弦，閉弦也是管線弦兩端的拼接，那么弦與環(huán)兩者是等價(jià)的，超弦/M理論也就沒(méi)有拓?fù)鋵W(xué)上環(huán)面與球面不同倫的數(shù)學(xué)紛爭(zhēng)。二是環(huán)量子的線旋耦合網(wǎng)格，形成圈組合的邊和結(jié)的自旋網(wǎng)絡(luò)圖，也是與圈量子引力理論等價(jià)的。所以這里的環(huán)量子、弦和圈組合等三個(gè)層次的實(shí)線，僅是龐加萊猜想歸納的“簡(jiǎn)并形式”。反之，這三個(gè)層次僅是龐加萊猜的層展和呈展；這種空心管線弦的簡(jiǎn)并實(shí)線，也僅是在計(jì)算、應(yīng)用、理解上的一種方便。如此，它包含了既有環(huán)量子三旋理論，又有超弦/M理論，還有圈量子引力理論等所曾主要表達(dá)的數(shù)學(xué)和物理內(nèi)容，稱(chēng)為“三旋/弦/圈理論”；簡(jiǎn)稱(chēng)為SXQ理論。如果SXQ是講自旋，球量子有自旋，環(huán)量子有自旋，同是自旋，為什么環(huán)量子的自旋，就比球量子的自旋重要？特別是有人說(shuō)：巨磁電阻（GMR）效應(yīng)涉及自旋，龐磁電阻（CMR）效應(yīng)也涉及自旋，而且CMR是自旋世界美妙絕倫的一個(gè)例子，但為什么比拼到現(xiàn)在，CMR反而沒(méi)有得諾貝爾獎(jiǎng)，GMR得了諾貝爾獎(jiǎng)呢？前者就不要說(shuō)了，因?yàn)榄h(huán)量子的自旋，能包容球量子的自旋，反之則不能。其次，根據(jù)物質(zhì)族質(zhì)量譜公式，對(duì)應(yīng)代夸克的質(zhì)量（K）等于對(duì)應(yīng)代的輕子的質(zhì)量（Q）加上對(duì)應(yīng)代的兩種規(guī)范玻色子的質(zhì)量和（B），例如：上夸克（u）的質(zhì)量等于對(duì)應(yīng)代輕子電子（e）的質(zhì)量，加上對(duì)應(yīng)代玻色子光子與膠子1的質(zhì)量和，如果假設(shè)電子等輕子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型圖像為“環(huán)量子”，對(duì)應(yīng)代的光子與膠子等玻色子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型圖像為“球量子”，把這種球量子看作是環(huán)量子類(lèi)圈體上的轉(zhuǎn)座子，能隨類(lèi)圈體作線旋，那么這種輕子加玻色子組成的夸克，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型像什么呢？顯然它也是屬“環(huán)量子”類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖像；如此組成的質(zhì)子、中子等重子、強(qiáng)子、核子的微單元弦圈鏈線結(jié)構(gòu)，自然就可交給超弦/M理論和圈量子引力理論等的數(shù)學(xué)和物理去作簡(jiǎn)并處理。至于說(shuō)到后者，有人說(shuō)：正常磁電阻、各向異性磁阻和現(xiàn)在的巨磁電阻，都存在于磁性金屬材料中，而這個(gè)CMR卻是在過(guò)渡金屬錳氧化物中被發(fā)現(xiàn)的；雖然在1950年代，對(duì)這一類(lèi)物質(zhì)的磁性有過(guò)深刻的理論研究，1960年代也有人零星報(bào)道過(guò)這類(lèi)物質(zhì)的磁電阻行為，但是那時(shí)人們還來(lái)不及顧及這些復(fù)雜材料----凝聚態(tài)物理學(xué)家的精力，主要還是放在金屬和半導(dǎo)體物質(zhì)上面。另外，這個(gè)氧化物體系也太復(fù)雜了，那時(shí)即便發(fā)現(xiàn)了CMR，大概也不以為意，因?yàn)槟莻€(gè)年代應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)還沒(méi)有搭建起來(lái)。但到了1980年代末和1990年代初，發(fā)現(xiàn)了過(guò)渡金屬氧化物高溫超導(dǎo)現(xiàn)象后，這才觸發(fā)物理學(xué)家對(duì)其它過(guò)渡金屬氧化物的興趣。大約在1993年，當(dāng)時(shí)在貝爾實(shí)驗(yàn)室的S·金和在馬里蘭大學(xué)的拉梅什用PLD方法制備出LaSrMnO薄膜，于低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下測(cè)得幾乎100%的磁電阻，CMR吸引了大批凝聚態(tài)物理學(xué)家?？陀^說(shuō)來(lái)，自然界的物質(zhì)一般分成三類(lèi)：金屬M(fèi)、半導(dǎo)體S、絕緣體I，一個(gè)大致的區(qū)分是看其電阻隨溫度變化的行為。對(duì)于M，電阻很小但隨溫度升高而升高；對(duì)于I，電阻很大且隨溫度升高而下降；對(duì)S，電阻不大不小，但也是隨溫度升高而下降；如果一種物質(zhì)的電阻在溫度變化時(shí)一會(huì)兒呈現(xiàn)M行為、一會(huì)兒呈現(xiàn)I或S的行為，那么這種物質(zhì)里面的CMR，絕對(duì)是凝聚態(tài)物理學(xué)家的寶貝。【4、龐磁電阻效應(yīng)自旋的價(jià)值】1、CMR（龐磁電阻）的自旋作用核心，是錳氧化物的Mn3+-O2--Mn4+鏈中的自旋對(duì)的所謂雙交換，即一個(gè)電子從Mn3+傳遞到Mn4+上去，中間隔了一個(gè)O離子，一般認(rèn)為這樣的傳遞比較難以實(shí)現(xiàn)。可是傳遞過(guò)程是左邊的Mn3+將一個(gè)電子傳給O離子，而這個(gè)O離子同時(shí)將自己的一個(gè)電子傳給右邊的Mn4+，從而使這個(gè)離子鏈變成Mn4+-O2--Mn3+鏈。這樣的同時(shí)傳遞稱(chēng)之為雙交換DE。量子力學(xué)規(guī)定電子在這條鏈上的傳遞，必須在Mn3+和Mn4+的離子核內(nèi)部的自旋保持互相平行時(shí)才可以進(jìn)行；而這種左右電子的平行運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)是一種小三旋圈。按三旋的定義，還屬面旋。如果它們的自旋反平行或者有一個(gè)夾角，那么電子跑過(guò)去都會(huì)遇到阻礙，也就是說(shuō)電阻很大。這里自旋在規(guī)范電子輸運(yùn)上起著關(guān)鍵作用，所以CMR中自旋是主角。2、CMR是自旋世界的一顆奇葩，因?yàn)镃MR中存在自旋與電荷、軌道和晶格(聲子)的強(qiáng)烈交互作用，其物理甚至比高溫超導(dǎo)還要豐富些，但如果CMR只有在室溫以下，且必須在很大磁場(chǎng)(幾個(gè)特斯拉)下才能達(dá)到，則目前看來(lái)是無(wú)法實(shí)際應(yīng)用，而GMR（巨磁電阻）隨時(shí)間卻是身價(jià)萬(wàn)倍。其次，CMR源于過(guò)渡金屬氧化物，這東西從半導(dǎo)體制造業(yè)角度，不看好，與硅技術(shù)不兼容且穩(wěn)定性不好。而GMR這個(gè)鄰居則類(lèi)似化妝技術(shù)高超，養(yǎng)顏技術(shù)精到，反而因?yàn)槭褂米孕娮訉W(xué)這一招牌，而變得更加風(fēng)光迷人。3、在溫度下降到一定值時(shí)，錳氧化物內(nèi)部的Mn離子的自旋有平行排列的傾向，這類(lèi)似于伊辛模型里面的鐵磁轉(zhuǎn)變，一旦進(jìn)入到鐵磁轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)(居里點(diǎn))以下，電子在其中傳播遇到的阻力馬上就小了很多。這就是為什么低溫區(qū)域電阻，隨溫度下降而迅速下降的原因。然而，雖然溫度下降，電阻的確是下降的，但是理論估算出來(lái)的電阻，比實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的實(shí)際電阻要低很多。更為奇怪的是在高溫區(qū)段，電阻不再隨溫度下降而下降，反而是電阻隨溫度升高而下降了。為什么電阻數(shù)值會(huì)這么大？且在高溫區(qū)域電阻又變得隨溫度升高而下降呢？這種夢(mèng)幻般的電阻隨溫度的變化，在其它物質(zhì)中非常少見(jiàn)，可在錳氧化物中確如此平常和隨處可見(jiàn)。這里，CMR中自旋雖是主角，但是錳氧化物中還存在一種凝聚態(tài)物理叫做賈恩·泰勒(JT)畸變的效應(yīng)，也就是晶格會(huì)自發(fā)地發(fā)生變形。它會(huì)使電子的運(yùn)動(dòng)變得艱難起來(lái)；既然這個(gè)JT效應(yīng)本質(zhì)上是一種晶格效應(yīng)，說(shuō)明在CMR中，電子輸運(yùn)有機(jī)地將自旋與晶格聯(lián)系在一起。由于這個(gè)JT效應(yīng)，電子運(yùn)動(dòng)只有靠高溫下的熱激活，才能從一地跳到另外一地。這就好比電子身上被綁了一個(gè)沙袋，這種綁了沙袋的電子稱(chēng)為局域化的電子。局域化電子走路就像半導(dǎo)體和絕緣體中電子的傳播一般，電子只有靠溫度來(lái)幫忙才能夠走得更順暢，所以才有電阻隨溫度升高反而降低了，這也就是為何實(shí)際電阻比齊納的DE理論預(yù)測(cè)高很多的原因。4、GMR的化妝技術(shù)、養(yǎng)顏技術(shù)，來(lái)自分子束外延技術(shù)獲得的高質(zhì)量樣品，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，分別作出了50%和10%的電阻變化率。沒(méi)有高質(zhì)量的樣品就沒(méi)有好的物理，分子束外延是一種在人工條件下，生長(zhǎng)單晶、平整、光滑的高質(zhì)量晶體薄膜的技術(shù)，可使分子或原子按晶體排列，一層層地“長(zhǎng)”在晶體基片上。利用該技術(shù)能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜，而形成的超薄層量子阱微結(jié)構(gòu)材料。所以說(shuō)，如果沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)，很難說(shuō)能否發(fā)現(xiàn)并很快得到同行認(rèn)可的巨磁電阻效應(yīng)；即使可以，可能也會(huì)推遲幾年。5、如果把巨磁自旋電子學(xué)，與單個(gè)電子旋轉(zhuǎn)作比較，更有意思的是美國(guó)布法羅大學(xué)一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出一種新設(shè)備，它可以簡(jiǎn)單快捷地誘捕、探測(cè)和操縱單個(gè)電子旋轉(zhuǎn)，這就清除了一些阻礙自旋電子學(xué)和基于電子旋轉(zhuǎn)的量子計(jì)算發(fā)展的主要障礙，使得研發(fā)以利用單旋轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)及具有低功率/高性能計(jì)算潛力的設(shè)備，離現(xiàn)實(shí)更進(jìn)了一步。如它可以使我們輕松地在一種模式中誘捕、操控和探測(cè)單電子自旋；這種模式的潛力在于它可以按比例擴(kuò)展成為致密的集成電路。雖然曾有人宣稱(chēng)捕獲了單電子旋轉(zhuǎn)，但都是利用量子點(diǎn)、納米大小半導(dǎo)體在極冷的溫度條件下（即絕對(duì)溫度1度以下），論證旋轉(zhuǎn)捕獲的。但在日常條件下，將設(shè)備或計(jì)算機(jī)冷卻到那樣的溫度是不可能的，它將使得系統(tǒng)非常容易被干擾。相反，布法羅大學(xué)研究小組捕獲和探測(cè)旋轉(zhuǎn)的溫度約為絕對(duì)溫度20度，基于這種方法的標(biāo)準(zhǔn)將可以用于發(fā)展可靠的技術(shù)。此外，他們開(kāi)發(fā)的這種系統(tǒng)需要相對(duì)較少的在半導(dǎo)體中控制電子流動(dòng)的邏輯門(mén)，這將有助于增加測(cè)量復(fù)雜的集成電路的可行性。布法羅大學(xué)研究人員通過(guò)他們創(chuàng)新的量子點(diǎn)接觸，成功實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)：即研發(fā)了在半導(dǎo)體的兩個(gè)導(dǎo)通區(qū)域之間，控制電荷流動(dòng)的狹窄的納米級(jí)縮頸，預(yù)測(cè)顯示，它應(yīng)該可以利用這些縮頸來(lái)誘捕單電子自旋。他們研發(fā)的這種系統(tǒng)可通過(guò)有選擇性地向金屬門(mén)，供以一定的電壓來(lái)操控半導(dǎo)體中的電流；這些金屬門(mén)均裝配在其表面。這些金屬門(mén)間擁有一個(gè)納米大小的間隙，當(dāng)向它們通以一定的電壓時(shí)，量子點(diǎn)接觸就會(huì)在這樣的間隙中形成。通過(guò)改變通向金屬門(mén)的電壓，能夠?qū)s頸的寬度進(jìn)行連續(xù)地壓縮，直到它最終完全關(guān)閉。當(dāng)增加金屬上的電荷時(shí)，它就會(huì)開(kāi)始彌合間隙。隨著電荷的增加，它就會(huì)允許越來(lái)越少的電子通過(guò)，直到它們?nèi)坎荒芡ㄟ^(guò)。就在間隙快要完全關(guān)閉之前，當(dāng)對(duì)這一通道進(jìn)行擠壓時(shí)，就能探測(cè)到通道內(nèi)最后電子的捕獲及其旋轉(zhuǎn)情況。在那一瞬間，旋轉(zhuǎn)的捕獲表現(xiàn)為流過(guò)設(shè)備另一半的電流的變化情況，設(shè)備的一個(gè)區(qū)域很容易感受到另一區(qū)域所發(fā)生的情況。6、這種在一根導(dǎo)線的兩半邊同時(shí)向中間的間隙輸送電子的一維運(yùn)動(dòng)，圖像雖說(shuō)不同于小三旋圈，但其本質(zhì)按三旋的定義，仍可歸屬于一維的線旋圖像。單電子旋轉(zhuǎn)的被誘捕，和探測(cè)到，那么下一步的研究工作，就是誘捕和探測(cè)兩個(gè)或更多相互聯(lián)系的電子旋轉(zhuǎn)。這是自旋電子學(xué)和量子計(jì)算發(fā)展的先決條件，在自旋電子學(xué)中，信息的讀取，傳輸和處理，都是針對(duì)電子或核自旋來(lái)操作的。而所謂的自旋電子學(xué)，就是以電子自旋或核自旋為研究的核心，主要研究與電子的電荷和自旋密切相關(guān)的過(guò)程，包括自旋源的產(chǎn)生、自旋注入、自旋傳輸、自旋檢測(cè)及自旋控制，其最終目的是實(shí)現(xiàn)新型的自旋電子器件，如自旋量子阱發(fā)光二極管、自旋p-n結(jié)二極管、磁隧道效應(yīng)晶體管、自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、量子計(jì)算機(jī)等，這是在電子材料如半導(dǎo)體中，主動(dòng)控制載流子自旋動(dòng)力學(xué)和自旋輸運(yùn)的一個(gè)新興領(lǐng)域。即它是利用電子自旋來(lái)製造電子元件的電子學(xué)，是利用電子的自旋屬性進(jìn)行工作的電子學(xué)。7、早在19世紀(jì)末，英國(guó)科學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子之后，人們就知道電子有一個(gè)重要特性，就是每一個(gè)電子都攜帶一定的電量，即基本電荷（e）；但到20世紀(jì)20年代中期量子力學(xué)的誕生，才告訴人們電子除攜帶電荷之外，還有另一個(gè)重要屬性，就是自旋。這個(gè)電子的自旋，有±h/2兩個(gè)角動(dòng)量數(shù)值，其中正負(fù)號(hào)分別表示“自旋朝上”和“自旋朝下”。其實(shí)這種把電子的自旋角動(dòng)量，有±h/2兩個(gè)數(shù)值的圖像，對(duì)應(yīng)的“自旋朝上”和“自旋朝下”，本質(zhì)只是一種球量子的圖像，這是我們?cè)谇懊嬲f(shuō)造成傳統(tǒng)量子力學(xué)百年之痛的根源。因?yàn)榘待嫾尤R猜想，電子的球量子圖像只是它的實(shí)際圖像的一種簡(jiǎn)并，電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的典型距離標(biāo)度10的-13次方厘米，是能測(cè)量到的電子的最大半徑，小于10-13次方厘米就測(cè)量不準(zhǔn)了，這表明環(huán)量子三旋效應(yīng)，才是電子的實(shí)際圖像。8、通過(guò)對(duì)電子電荷和電子自旋性質(zhì)研究的進(jìn)展，雖然誕生了自旋電子學(xué)，但這并不是說(shuō)電子的自旋自由度以前從沒(méi)有用過(guò)，例如，半導(dǎo)體中很多類(lèi)型的自旋極化現(xiàn)象，如載流子的自旋，半導(dǎo)體材料中引入的磁性原子的自旋，和組成晶體的原子的核自旋，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)磁盤(pán)，等等，用的就是磁性材料中電子的自旋。然而從某種意義上說(shuō)，這都是用的電子的球量子圖像自旋。即使是自旋電子學(xué)最基本應(yīng)用的以巨磁電阻為基礎(chǔ)的存儲(chǔ)器和自旋閥，其中自旋的作用也是被動(dòng)的，它們的工作則要由局域磁場(chǎng)來(lái)控制。而磁電子學(xué)，則是要基于電子傳導(dǎo)和磁性間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，通過(guò)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸運(yùn)特性調(diào)制的新興學(xué)科，它涉及自旋極化、自旋相關(guān)散射和隧穿、自旋積累，以及弛豫、電荷自旋--軌道--晶格間相互作用等強(qiáng)關(guān)聯(lián)和量子干涉效應(yīng)等方面；而且作為納米電子學(xué)的重要組成，