International Physics Masterclasses

Spin

Şimdiye kadar karşılaştığımız kütle ve elektrik yüke, ek olarak, parçacıkların spin denen temel bir özelliği daha var. Spin kuantum mekaniğinin saf bir ürünü olmakla birlikte modern teknolojilerin ve bilgi işlemenin spin-off’udur. Spintronik ya da spin elektroniği spin özelliklerini, elektrik yükü yerine ya da elektrik yüküne ek olarak kullanılır, böylece işlevi daha büyük bir çeşitliliğe sahip cihazlar sunar: medya depolama, kuantum hesaplama gibi.

Peki spin nedir? Bunu anlamak için, öncelikle açısal momentum kavramını tanıtmak gerekir. Açısal momentum, vektörel bir niceliktir ve dairesel hareketteki karşılığı doğrusal hareketteki momentum gibidir. Klasik mekanikte, açısal momentum hem yörünge hareketi (Güneş çevresinde Dünya'nın yıllık dönüşü gibi) hem de “Spin" den (kuzey-güney ekseni etrafında Dünya'nın günlük dönüşü gibi) oluşabilir. Klasik teori ile benzer olarak spin temel parçacığın içsel açısal momentumu olarak tanımlanabilir. Noktasal bir parçacığın Dünya’nın dönüşüne benzer şekilde dönmesi hayal edilemeyebilir ve klasik benzetmeye çok fazla yüklenilmemelidir.

Basitleştirilmiş kelimelerde, spin durağan bir parçacığın farklı yönlerde neye benzediği ile ilgilidir. Günlük hayatta bir nesneyi döndürmek ve (an)izotropi derecesini incelemek mümkündür. Bu nokta benzeri parçacıklar ile ilgili, özellikle mikro dünya için söz konusu değildir. Parçacıkların davranışı ve spin dahil içsel özelliklerinin karakterizasyonu vurgulanmalıdır.

Parçacık fiziğinde, parçacıkların spinini belirlemek için kısa ömürlü parçacıkların bozunma ürünlerini analiz ederiz. Açısal momentum, momentuma benzer olarak korunan vektörel bir niceliktir. Bir vektörel niceliğin hem büyüklüğü (vektör uzunluğu) hem de yönü olmalıdır. Elektrik yükü, kütle ve sıcaklık scalar nicelikler olarak tanımlanır ve bu niceliklerin sadece büyüklüğünün olması yeterlidir.

Kuantum mekaniği, parçacıkları iki farklı kategorideki spin değerleri ile gruplandırır. Fermiyonlar, 1/2, 3/2, 5/2 gibi yarım tam sayı spin değerlerine sahiptir. Bozonlar ise 0, 1, 2 gibi tam sayı spin değerlerine sahiptir. Haydi tanıdık olanları tartışalım. Maddeyi oluşturan parçacıklar (leptonlar, kuarklar, protonlar, nötronlar) 1/2 spine sahip fermiyonlardır. Kuvvet taşıyıcıları ve Higgs parçacığı bozonlardır. Foton, gluon, W ve Z spin-1 bozonlardır. Higgs ise spin-0 bozondur.

Fermiyonlar ve bozonlar zıt ortak davranışlara sahiptir. Bozonlar aynı özelliklere sahip diğer bozonlar ile aynı kuantum konumunda olabilen sosyal parçacıklardır. Lazerin temel prensibi çok sayıda fotonun aynı kuantum konumunu paylaşmasıdır. Fermiyonlar, aynı özelliklere sahip iki fermiyonun aynı kuantum konumumda bulunamaması ilkesi : dışlama ilkesine tabi olan yalnız parçacıklardır. Bu durum periyodik tabloyu ve tüm kimyayı açıklar.