Spin

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 ℏ / 2 {\displaystyle \hbar /2} ou − ℏ / 2 {\displaystyle -\hbar /2} (onde ℏ {\displaystyle \hbar } é a constante de Planck dividida entre 2 π {\displaystyle 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 ℏ / 2 {\displaystyle \hbar /2}.
En xeral, todos os fermiones presentan spins "semienteiros", isto é, n ⋅ ℏ / 2 {\displaystyle n\cdot \hbar /2}.
Os bosóns teñen estados de spin "enteiro" ( n ⋅ ℏ {\displaystyle n\cdot \hbar } ). Así, os fotóns por exemplo teñen spin "unidade" ( ℏ {\displaystyle \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 ℏ {\displaystyle \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. ( σ x x ^ + σ y y ^ + σ z z ^ ) {\displaystyle \left(\sigma _{x}{\hat {x}}+\sigma _{y}{\hat {y}}+\sigma _{z}{\hat {z}}\right)} é o operador spin en forma vectorial sendo σ i {\displaystyle \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: | ↑ ⟩
| m
+ 12 ⟩
[ 10 ] {\displaystyle |{\uparrow }\rangle
\left\vert {m
+{\frac {1}{2}}}\right\rangle
{\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}}} | ↓ ⟩
| m
− 12 ⟩
[ 01 ] {\displaystyle |{\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
ℏ 2 σ z
ℏ 2 ( − 100 − 1 ) {\displaystyle 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.