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Spin

Além da massa e da carga elétrica, que já apresentámos, as partículas têm uma propriedade fundamental chamada spin. Spin é um produto puro da mecânica quântica com aplicações profundas em tecnologias modernas e no processamento da informação. A spintrónica ou eletrónica de spin explora as propriedades de spin em vez das da carga elétrica, ou em adição a esta, proporcionando assim instrumentos com uma maior diversidade de funcionalidade, por exemplo, armazenamento de media e computação quântica.

Então o que é o spin? Para compreender isto, precisamos primeiro de introduzir o conceito de momento angular. Momento angular é uma grandeza vetorial que está para o movimento de rotação como o momento linear (ou quantidade de movimento) está para o movimento de translação. Em mecânica clássica contribuem para o momento angular tanto o movimento orbital (como o movimento de translação da Terra em torno do Sol) como o spin (o movimento diário de rotação da Terra em torno do seu eixo norte-sul). Analogamente à teoria clássica, o spin é introduzido na mecânica quântica como um momento angular intrínseco de uma partícula elementar. Como não conseguimos imaginar como é que uma partícula pontual rode em torno de si própria como o faz a Terra, não devemos abusar da analogia clássica.

Em palavras simples, spin tem a ver com o aspeto da partícula em repouso quando vista de direções diferentes. No dia a dia é possível por um objeto a rodar e estudar o seu grau de (an)isotropia. Este não é o caso do mundo microscópico, especialmente quando tratamos com partículas pontuais. A ênfase é posta no comportamento das partículas e na caracterização das suas propriedades intrínsecas, incluindo o spin.

Em física de partículas dependemos dos produtos de decaimento de partículas instáveis para determinar o seu spin. O momento angular é um grandeza vetorial conservada, semelhante ao momento linear. Uma grandeza vetorial precisa de uma intensidade (tamanho do vetor), direção e sentido. A carga elétrica, massa e temperatura, são chamadas grandezas escalares, pois precisam apenas da intensidade para as definir.

A mecânica quântica atribui valores definidos de spin às partículas, que assim se classificam em duas categorias. Fermiões são as partículas com valores semi-inteiros de spin (1/2, 3/2, 5/2, ...), em unidades de h/2Pi (sendo h a constante de Planck). Bosões são as partículas com valores inteiros de spin (0,1,2,...). As partículas que constituem a matéria (leptões, quarks, protões, neutrões) são fermiões, com spin 1/2. As partículas das forças e a partícula de Higgs são bosões. O fotão, gluão, W e Z são bosões de spin 1. A partícula de Higgs é um bosão de spin 0, chamado geralmente de bosão de Higgs.

Os fermiões e os bosões têm comportamentos coletivos opostos. Os bosões são partículas sociáveis no sentido em que bosões idênticos com exatamente as mesmas propriedades podem ocupar o mesmo estado quântico. O laser funciona porque um grande número de fotões podem o mesmo estado. Fermiões são partículas solitárias, sujeitas ao princípio de exclusão (de Pauli): 2 fermiões idênticos não podem ocupar exatamente o mesmo estado quântico. Este facto justifica a tabela periódica dos elementos e toda a química.