Спин

Спин (spіn – айналу) – элементар бөлшектердің не осы бөлшектерден құралған жүйенің (мысалы, атом ядросы) меншікті қозғалыс мөлшерінің моменті. Спиннің бөлшектердің кеңістіктегі қозғалысымен байланысы жоқ, оның тек кванттық табиғаты бар. С. Планк тұрақтысы (ћ) бірлігімен өлшенеді және ол мынаған тең: J ћ мұндағы ћh/2 (h – Планк тұрақтысы), J – әр бөлшектің өзіне тән бүтін (бұған 0 саны да енеді) және жартылай бүтін сан. Ал J санын спиндік кванттық сан не спин деп атайды. Кванттық механика бойынша спин векторының квадраты ћ2 J(J+1). Жартылай бүтін спині (J1/2) бар бөлшектер фермиондар деп, ал бүтін спині бар бөлшектер бозондар деп аталады. Спин – микробөлшектердің негізгі қасиеттерінің бірі. Микробөлшектерде спиннің болатындығы тәжірибе жүзінде дәлелденді. Физикаға спин туралы көзқарасты 1925 жылы голланд ғалымдары Дж.Уленбек және С.Гаудсмит енгізген. Спин қасиеті Барлық бөлшектер екі түрлі бұрыштық моментке ие: орбитальді бұрыштық момент және спин. Бөлшектің кеңістіктегі қозғалысы нәтижесінде туындайтын орбитальді бұрыштық моментке қарағанда спин кеңістіктегі қозғалыстан тәуелсіз. Спин — тек қана кванттық сиппатама болып табылады, оны релятивистік механикамен түсіндіруге болмайды. Егер бөлшекті (мысалы, электронды) айналып тұрған шарик ретінде қарастырсақ, ал спинді осы айналыммен байланысты момент десек, онда бөлшек қабышасының көлденең қозғалыс жылдамдығы жарық жылдамдығынан үлкен болуы тиіс, бірақ бұл релятивизмге қарама-қайшы тұжырымдама. Бұрыштық моменттің бір көрінісі (сұлбасы, проявлений) болып табылатын спин кванттық механикада компоненттер алгебрасы орбитальді бұрыштық момент алгебрасымен толық сәйкес келетін спин векторлық операторымен сипатталады. Бірақ, орбитальді бұрыштық моментке қарағанда спин операторы классикалық айнымалыларымен айқындалмайды, басқа сөзбен айтқанда, ол тек қана кванттық шама. Осының салдары болып спин (және оның қандай да бір оське проекциясы) тек бүтін емес, жартылай бүтін (ħ Дирак тұрақтысы бірлігінде) мәнге ие болатындығы шығады. 1921 жылы Штерн — Герлах тәжірибесі атомда спиннің бар екендігін және олардың магниттік момент бағыттының кеңістікті квантталуын дәлелдеді. 1924 жылы, әлі кванттық механиканың дәл формулировкасы болмаған кезде, Вольфганг Паули саңылаулы металлдардағы валентті электрондарды сипаттау үшін жаңа екікомпонентті ішкі еркіндік дәрежесін енгізеді. 1927 жылыдәл осы физик спиндік айнымалысын ескеру үшін сол кезде енді ашылған Шрёдингер теңдеуін түрлендіреді.Кейін осы өңделген теңдеу Паули теңдеуі деген атқа ие болды.Осындай сипаттамада электронның толқындық функциясында жаңа спиндік бөлігі пайда болады, ол спинормен – абстракті (яғни тура кәдімгімен байланыссыз) екіөлшемді спиндік кеңістіктегі «вектормен» сипатталады. Спин және статистика Бір сорттағы барлық элементар бөлшектер тепе-тең болғандықтан, бірнеше бірегей бөлшектерден тұратын жүйенің толқындық функциясы симметриялы (яғни өзгермейді) болуы тиіс не екі кез келген бөлшектің орын ауыстыруына қарасты антисимметриялы (-1-ге көбетіледі) болуы тиіс. Бірінші жағдайда бөлшек Бозе — Эйнштейн статистикасына бағынады жәнеоны бозон деп атайды. Екінші жағдайда бөлшек Ферми — Дирак статистикасына бағынадыжәне фермион деп аталады. Алайда, дәл осы спин шамасы бөлшектің қандай симметриялық қасиетке ие болатындығын айтады екен. Вольфганг Паулимен 1940 жылы құрастырылғанспиндердің статистикамен байланыс теоремасыбүтін спинді (s 0, 1, 2, …) бөлшектер — бозон, алжартылай бүтін спинді (s 1/2, 3/2, …) бөлшектер — фермиондар болып табылатындығын тұжырымдайды. Спиннің жалпылануы Спинді енгізу жаңа физикалық ойдың сәтті қолданысын септігін тигізді: яғни бөлшектің кәдімгі кеңістіктегі орын ауыстыруымен еш байланысы жоқ күйдегі кеңістік бар деген постулат. Осы ойдың жалпылауы ядролық физикада изотопты спин деген ұғымға әкелді, яғни осы изотопты спин бір ерекше изоспинді кеңістікте орындалады. Кейін, қатты өзара әрекеттесуді сипаттауда түсті кеңістік пен «түс» кванттық саны — спиннің күрделілірек аналогы енгізілді. Спинтроника Спинтроника (Спиндік электроника) — қатты денелі заттардағы, көбінесе ферромагнетик-парамагнетик және ферромагнетик-асқынөткізгіш гетероқұрылыстағы спиндік ток тасымалдауды (спин-поляризацияланған тасымалдауды) зерттейтін кванттық электроника бөлімі. Бұндай гетероқұрылыстарда спин-поляризацияланған электрондар (спин-инжекторлар) көзі болып өткізгіш ферромагнетик (өткізгіш немесе жартылай өткізгіш) болып табылады. Ол магнитталған күйінде кенетті, спинді реттелген заряд тасымалдаушы бола алады; ферромагниттік жартылай өткізгіштерде спиндік поляризация деңгейі металлдан қарағанда(10 %-ке дейін) жоғары болады (100 %-ке дейін). Сыртқы магнит өрісінде жартылай өткізгіште өткізгіш зонасының зеемандық ыдырау нәтижесінде екі зеемандық энергетикалық деңгейасты деңгейлердің пайда болуы мүмкін. Осындай жартылай өткізгішке спин-поляризацияланған электрондарды енгізу кезде жоғарғы деңгейге де, төменгі деңгейге де басқарылатын ауысу жасауға болады, нәтижесінде, көбінесе, мекенділеушілер инверсиясын жасауға мүмкіндік береді, сәйкесінше, когерентті электромагнитті сәулеленудің оның магниттік өріс жиілігін басқару генерациясын тудыруға болады. Басқа эффектілер изолацияланған ферромагниттікпен джозефсондық ауысу кезінде пайда болады: бұл жағдайда сыртқы магнит өріс көмегімен туннельденуді басқаруға мүмкіндік туады. Дереккөздер