International Physics Masterclasses

Spin

Oprócz masy i ładunku elektrycznego, które już poznaliście, cząstki mają fundamentalną własność o nazwie spin. Spin jest czysto kwantową wielkością, której istnienie ma daleko idące konsekwencje wykorzystywane w nowoczesnych technologiach i przetwarzaniu informacji. Spintronika lub elektronika spinowa wykorzystuje własności spinu zamiast lub oprócz ładunku elektrycznego, oferując w ten sposób urządzenia o bardziej różnorodnych funkcjach, jak np. nośniki danych czy komputery kwantowe.

Czym więc jest spin? Aby to zrozumieć, musimy najpierw wprowadzić pojęcie momentu obrotowego. Moment obrotowy jest wielkością wektorową, która dla ruchu obrotowego jest tym, czym dla ruchu liniowego jest pęd. W mechanice klasycznej moment obrotowy może składać się z ruchu orbitalnego (podobnego do rocznego obiegu Ziemi wokół Słońca) i "spinu" (podobnego do dziennego obrotu Ziemi wokół osi pólnoc-południe). Analogicznie jak w teorii klasycznej, spin jest wprowadzony jako wewnętrzny moment obrotowy cząstki elementarnej. Ponieważ trudno sobie wyobrazić, że punktowa cząstka elementarna rotuje w taki sam sposób, jak obraca się Ziemia, nie należy tej klasycznej analogii posuwać za daleko.

Mówiąc w uproszczeniu, spin wiąże się z tym, jak cząstka w spoczynku wygląda z różnych kierunków. W życiu codziennym możemy obracać obiekt i badać jego stopień (an)izotropii. W mikroświecie jest to niemożliwe, szczególnie gdy mamy do czynienia z punktowymi cząstkami. Badamy więc zachowanie cząstek i ich wewnętrzne własności, w tym także spin.

W fizyce cząstek badamy produkty rozpadu krótko żyjących cząstek, aby określić ich spin. Moment obrotowy jest zachowywaną wielkością wektorową, podobnie jak pęd. Wielkość wektorowa ma zarówno wartość (długość wektora), jak i kierunek. Ładunek elektryczny, masa i temperatura są wielkościami skalarnymi, w pełni określonymi jedynie przez swoją wartość.

Mechanika kwantowa przypisuje cząstkom określone dyskretne wartości spinu. Fermiony mają spin połówkowy (1/2, 3/2, 5/2, ...). Bozony mają spin całkowity (0, 1, 2, ...). Omówmy te już nam znane. Cząstki tworzące materię (leptony, kwarki, protony, neutrony) są fermionami o spinie 1/2. Nośniki oddziaływań i Higgs są bozonami. Foton, gluon, bozony W i Z mają spin 1. Bozon Higgsa ma spin 0.

Fermiony i bozony mają odmienne zachowania kolektywne. Bozony to cząstki "socjalne" w tym sensie, że identyczne bozony o dokładnie takich samych własnościach mogą zajmować ten sam stan. Zasada działania lasera opiera się właśnie na tym, że duża liczba fotonów może dzielić ten sam stan. Fermiony to "samotnicy", podlegają zasadzie wykluczenia: 2 identyczne fermiony nie mogą znajdować się w dokładnie takim samym stanie. To zjawisko tłumaczy układ okresowy pierwiastków i całą chemię.