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Spin

Además de masa y carga eléctrica, que has encontrado hasta el momento, las partículas tienen una propiedad fundamental llamada espín. Espin es un producto puro de la mecánica cuántica que ha contribuído mucho a la transferencia en las tecnologías modernas y en el procesamiento de la información. La espintrónica o electrónica de espín explota las propiedades del espín, en lugar de, o en adición a la carga eléctrica, lo que ofrece dispositivos con una mayor diversidad de funciones: medios de almacenamiento, computación cuántica, por citar sólo algunos.

Entonces, ¿qué es el espín? Para entender esto, hay que introducir primero el concepto de momento angular. El momento angular es una cantidad vectorial, que es al movimiento de rotación lo que el momento lineal es al movimiento lineal. En la mecánica clásica, el momento angular puede consistir tanto de movimiento orbital (como la revolución anual de la Tierra alrededor del Sol) y "spin" (como la rotación diaria de la Tierra alrededor del eje norte-sur). En analogía con la teoría clásica, el espín se introduce como el momento angular intrínseco de una partícula fundamental. Dado que uno no se puede imaginar que una partícula puntual gire en la misma forma que la Tierra gira, la analogía clásica no debe ser llevada demasiado lejos.

En una redacción simplificada, el espín tiene que ver con lo que la partícula en reposo parece, desde diferentes direcciones. En la vida cotidiana, es posible girar un objeto y estudiar su grado de (an)isotropía. Este no es el caso en el micromundo, especialmente cuando se trata con partículas puntuales. El énfasis se pone entonces en el comportamiento de las partículas y la caracterización de sus propiedades intrínsecas, incluyendo el espín.

En la física de partículas, nos basamos en los productos de desintegración de partículas de vida corta para determinar su espín. El momento angular es una cantidad vectorial conservada, análoga al momento lineal. Una cantidad vectorial necesita tanto magnitud (longitud del vector) cómo dirección. La carga eléctrica, la masa y la temperatura se llaman magnitudes escalares, pues la magnitud es suficiente para caracterizarlas.

La mecánica cuántica asigna valores de espín definidas, discretos, a las partículas, que caen en 2 categorías. Los fermiones poseen espín semi-entero (1/2, 3/2, 5/2, ...). Los bosones tienen espín entero (0, 1, 2, ...). Vamos a discutir los que son familiares para nosotros. Las partículas que componen la materia (leptones, quarks, protones, neutrones) son fermiones de espin 1/2. Las partículas de fuerza y la partícula de Higgs son bosones. El fotón, gluón, Z y W son bosones de espín-1. El bosón de Higgs tiene espin-0.

Los fermiones y bosones tienen comportamientos colectivos opuestos. Los bosones son partículas sociales en el sentido de que bosones idénticos, con exactamente las mismas propiedades, pueden ocupar el mismo estado. El principio de los láseres se debe a que un gran número de fotones puede compartir el mismo estado. Los fermiones son partículas solitarias, sujetas al principio de exclusión: no hay 2 fermiones idénticos que puedan encontrarse en el mismo estado. Esto explica la tabla periódica de los elementos y toda la química.