International Physics Masterclasses

Spin

Kromě hmotnosti a elektrického náboje, veličin, s nimiž jsme už pracovali, mají částice další fundamentální vlastnost zvanou spin. Spin je výhradně záležitostí kvantové mechaniky, nachází však široké uplatnění i v moderních technologiích a zpracování informací. Spintronika nebo spinová elektronika využívají vlastností spinu místo elektrického náboje nebo spolu s ním a umožňují tak konstrukci prvků s širokou možností využití, třeba pro ukládání informací nebo kvantové počítání.

Co je tedy spin? Abychom tomu porozuměli, musíme začít u veličiny zvané moment hybnosti. Moment hybnosti je vektorová veličina, která je pro rotační pohyb tím, čím je hybnost pro pohyb postupný. V klasické mechanice může k momentu hybnosti může přispívat orbitální pohyb (jako obíhání Země kolem Slunce) a "spin" (jako každodenní rotace Země kolem osy). Analogicky s klasickou teorií je spin v kvatnové mechanice definován jako vnitřní moment hybnosti fundamentální částice. Bodová (bezstrukturní) částice však nemůže rotovat stejným způsobem, jakým se otáčí Země, takže klasickou analogii není možné brát příliš doslovně.

Zjednodušeně řečeno, spin souvisí s tím, jak se částice v klidu jeví při pozorování z různých směrů. V běžném životě, je možné každý předmět libovolně pootočit a zkoumat, jak je (ne)symentrický. V mikrosvětě, zejména u bodových částic, to tak není. Zde je třeba zaměřit se na obecné chování částic a určení jejich vnitřních vlastností včetně spinu.

V částicové fyzice se spin částic s krátkou dobou života určuje z vlastností jejich rozpadových produktů. Moment hybnosti je zachovávající se vektorová veličina analogická hybnosti. Vektorová veličina je určena jednak velikostí (délkou vektoru), jednak směrem. Naproti tomu elektrický náboj, hmotnost nebo teplota, které plně charakterizuje jejich velikost, jsou veličiny skalární.

V kvantové mechanice nabývá spin pouze diskrétních hodnot. Částice lze v závislosti na jejich spinu zařadit do dvou kategorií. Fermiony mají spin rovný (vyjádřeno ve vhodných jednotkách) lichému počtu polovin (poločíselný - 1/2, 3/2, 5/2, ...). Bosony mají spin celočíselný (0, 1, 2, ...). Jak je to s částicemi, které známe? Částice tvořící hmotu (leptony, kvarky, protony, neutrony) jsou fermiony se spinem 1/2. Částice-nosiče síly a Higgsova částice jsou bosony. Foton, gluon, W a Z mají spin 1. Higgsův boson má spin 0.

Fermiony mají opačné kolektivní chování než bosony. Bosony jsou "společenské" částice - více identických bosonů s naprosto stejnými vlastnostmi se může nacházet ve stejném kvantovém stavu. Na tom, že velký počet stejných fotonů může sdílet stejný stav, je například založen princip laseru. Fermiony jsou "samotáři", platí pro ně princip výlučnosti: žádné 2 idemtické fermiony nemohou zaujmout přesně stejný stav. Na tom je založena periodická tabulka prvků nebo veškerá chemie.