International Physics Masterclasses

Spin

Okrem hmotnosti a elektrického náboja, s ktorými ste sa doteraz stretli, majú častice ďalšiu fundamentálnu vlastnosť nazývanú spin. Spin je čistým produktom Kvantovej mechaniky a nachádza rozsiahle uplatnenie v moderných technológiách a spracovaní informácií. Spintronika alebo spinová elektronika využíva vlastnosti spinu namiesto alebo popri vlastnostiach elektrického náboja a ponúka zariadenia s väčšou rozmanitosťou funkcionality: napr. ukladanie médií, kvantové počítanie.

Takže čo je spin? Aby sme to pochopili, musíme najprv zaviesť pojem momentu hybnosti. Moment hybnosti je vektorová veličina, ktorá má rovnaký vzťah k rotačnému pohybu, ako má hybnosť k priamemu pohybu. V klasickej mechanike môže byť moment hybnosti vytváraný orbitálnym pohybom (ako obiehanie Zeme okolo Slnka) aj "spinom" (ako rotácia Zeme okolo svojej osi). V analógii ku klasickej teórii je spin zavedený ako vnútorný moment hybnosti fundamentálnej častice. Keďže bodová častica nemôže rotovať rovnakým spôsobom, ako rotuje Zem, analógia s klasickou fyzikou nie je dokonalá.

Zjednodušene povedané, spin súvisí s tým, ako častica v pokoji vyzerá z rôznych smerov. V každodennom živote je možné objekt pootáčať a preskúmať mieru jeho (an)izotropie. Toto sa nedá urobiť v mikrosvete, obzvlášť pri bodových časticiach. Dôraz sa teda kladie na správanie sa častíc a charakterizáciu ich základných vlastností, vrátane spinu.

V časticovej fyzike sa spoliehame na rozpadové produkty krátko žijúcich častíc, aby sme určili ich spin. Moment hybnosti je zachovávajúca sa vektorová veličina analogická k hybnosti. Vektorová veličina má veľkosť (dĺžka vektora) a smer. Elektrický náboj, hmotnosť a teplota sú skalárne veličiny, pretože na ich určenie stačí veľkosť.

Kvantová mechanika priradzuje časticiam diskrétne hodnoty spinu, ktoré spadajú do dvoch kategórií. Fermióny majú poločíselný spin (1/2, 3/2, 5/2, ...). Bozóny majú celočíselný spin (0, 1, 2, ...). Pozrime sa na častice, ktoré sú nám známe. Častice tvoriace hmotu (leptóny, kvarky, protóny, neutróny) sú fermióny so spinom 1/2. Častice prenášajúce sily a Higgsova častica sú bozóny. Fotón, gluón, W a Z sú bozóny so spinom 1. Higgs je bozón so spinom 0.

Fermióny a bozóny majú opačné kolektívne správanie. Bozóny sú spoločenské častice v tom zmysle, že identické bozóny s rovnakými vlastnosťami sa môžu nachádzať v rovnakom stave. Laser funguje vďaka tomu, že veľké množstvo fotónov môže zdieľať ten istý stav. Fermióny sú samotárske častice a platí pre ne vylučovací princíp: 2 identické fermióny sa nemôžu nachádzať v tom istom stave. Táto skutočnosť vysvetľuje periodickú tabuľku prvkov a celú chémiu.