Spin

Representación artística de dous obxectos, con spín 5/2 e 2, respectivamente.

O spin é a propiedade básica das partículas elementais que determina se as particulas satisfán o principio de exclusión de Pauli (daquela son fermións, seguindo a estatística de Fermi-Dirac) ou non (entón son bosóns, satisfacendo a estatística de Bose-Einstein).

Introdución

O spin, en física (do inglés spin, xiro, virar), é unha propiedade das partículas fundamentais (como o é a masa ou a carga), que foi introducido en 1925 por Ralph Kronig, e, de xeito independente, por George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit. Os dous físicos descubriron que a teoría cuántica da época non podía explicar algunhas propiedades dos espectros atómicos; engadindo un número cuántico adicional o spin do electrón, Goudsmit e Uhlenbeck lograron dar unha explicación máis completa dos espectros atómicos. Pronto, o concepto de spin ampliouse a todas as partículas subatómicas, incluídos os protones, os neutróns e as antipartículas.

O spin proporciona unha medida do momento angular intrínseco de devanditas partículas, pero, en contraste coa mecánica clásica, onde o momento angular asóciase á rotación dun obxecto extenso, o spin é un fenómeno exclusivamente cuántico.

Nas teorías cuánticas non relativistas o spin debe introducirse de xeito artificial, mentres que nas relativistas aparece de xeito natural.

Propiedades do spin

Como propiedade mecanocuántica, o spin presenta unha serie de cualidades que o distinguen do momento angular clásico. Está cuantizado, o que significa que non pode variar de forma gradual, senón que só pode ter valores discretos. Por exemplo, o momento angular de spin dun electrón, se se mide en calquera dirección particular dada por un campo magnético externo, pode resultar unicamente nos valores

$\hbar /2$

ou

$-\hbar /2$

(onde $\hbar$ é a constante de Planck dividida entre $2\pi$).

A magnitude do spin (independente da dirección) é única para cada tipo de partícula elemental. Para os electróns, os protóns e os neutróns, esta magnitude é $\hbar /2$. En xeral, todos os fermiones presentan spins "semienteiros", isto é,

$n\cdot \hbar /2$.

Os bosóns teñen estados de spin "enteiro" ($n\cdot \hbar$). Así, os fotóns por exemplo teñen spin "unidade" ($\hbar$). Algunhas partículas exóticas como o pión teñen spin nulo. Os principios da mecánica cuántica indican que os valores do spin limítanse a múltiplos enteiros ou semienteros de $\hbar$), polo menos baixo condicións normais.

As partículas con spin presentan un momento magnético, recordando a un corpo cargado electricamente en rotación (de aí a orixe do termo: spin, en inglés, significa "virar"). A analoxía pérdese ó ver que o momento magnético de spin existe para partículas sen carga, como o fotón. O ferromagnetismo xorde do aliñamento dos spins (e, ocasionalmente, dos momentos magnéticos orbitais) nun sólido.

$\left(\sigma _{x}{\hat {x}}+\sigma _{y}{\hat {y}}+\sigma _{z}{\hat {z}}\right)$ é o operador spin en forma vectorial sendo $\sigma _{i}$ as matrices de Pauli.

Por exemplo: Para medir o spin na dirección z (en coordenadas cartesianas) hai dúas autoestados de S. Asígnanse vectores ós spins como segue:

$|{\uparrow }\rangle =\left\vert {m=+{\frac {1}{2}}}\right\rangle ={\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}}$

$|{\downarrow }\rangle =\left\vert {m=-{\frac {1}{2}}}\right\rangle ={\begin{bmatrix}0\\1\end{bmatrix}}$

entón o operador correspondente en devandita representación será

$S_{z}={\frac {\hbar }{2}}\sigma _{z}={\frac {\hbar }{2}}{\begin{pmatrix}-1&0\\0&-1\end{pmatrix}}$

En representación matricial o operador actúa cos vectores de dirección chamados "espinores".

Aplicacións ás novas tecnoloxías ou a tecnoloxías futuras

Magnetorresistencia e láser

Na actualidade, a microelectrónica atopa aplicacións a certas propiedades ou efectos derivados da natureza do spin, como é o caso da magnetorresistencia (MR) ou a magnetorresistencia xigante (MRG) que se aproveita nos discos duros.

Pódese ver o funcionamento dos láseres como outra aplicación das propiedades do spin. No caso dos bosones pódese forzar a un sistema de bosóns a posicionarse no mesmo estado cuántico. Este é o principio fundamental do funcionamento dun láser no que os fotóns, partículas de spin enteiro, dispóñense no mesmo estado cuántico producindo trens de onda en fase.

Spintrónica e computación cuántica

Ó uso, presente e futuro, de tecnoloxía que aproveita propiedades específicas dos spins ou que busca a manipulación de spins individuais para ir máis aló das actuais capacidades da electrónica coñéceselle como spintrónica.

Tamén se está a investigar a posibilidade de aproveitar as propiedades do spin para futuras computadoras cuánticas, nos que o spin dun sistema illado poida servir como qubit ou bit cuántico.

Véxase tamén

Ligazóns externas

• O spin do electrón (en castelán)