Le Spin
En plus d'une masse et d'une charge électrique -- des caractéristiques familières -- les particules possèdent une propriété fondamentale supplémentaire appelée spin. Le spin est une quantité purement quantique dont l'existence a des conséquences importantes pour les technologies modernes et le traitement de l'information. La spintronique, ou électronique de spin, exploite les propriétés du spin en plus ou à la place de la charge électrique ; elle permet ainsi de réaliser des appareils avec des fonctionnalités plus variées : stockage de données ou ordinateur quantique pour n'en citer que deux.
Et donc qu'est-ce que le spin ? Pour le comprendre il faut commencer par introduire le concept de moment angulaire. Le moment angulaire est une quantité vectorielle, qui est aux mouvements de rotation ce que l'impulsion est aux mouvements de translation. En mécanique classique, le moment angulaire inclut à la fois un mouvement orbital (comme la rotation de la Terre autour du Soleil en une année) et un mouvement de "toupie" ("spin" en anglais, par exemple la rotation de la Terre autour de son axe nord-sud en une journée). Par analogie avec la théorie classique, le spin représente le moment angulaire intrinsèque d'une particule élémentaire. Evidemment, on ne peut pas imaginer qu'une particule ponctuelle tourne sur elle-même comme le fait la Terre : l'analogie classique ne doit donc pas être poussée trop loin.
En simplifiant, on peut dire que le spin est relié à ce à quoi la particule au repos ressemble lorsqu'on l'observe de différentes directions. Dans la vie de tous les jours, il est possible de faire tourner un objet pour étudier son degré d'istotropie/d'anisotropie. Ce n'est pas possible dans le monde microscopique, en particulier quand on s'intéresse aux particules ponctuelles. L'accent est alors mis sur le comportement de ces particules et la caractérisation de leurs propriétés intrinsèques, comme le spin.
En physique des particules, on utilise les produits de la désintégration d'une particule instable pour déterminer son spin. Le moment angulaire est une quantité vectorielle conservée, tout comme l'impulsion. Une quantité vectorielle est caractérisée par une norme (la longueur d'un vecteur) et une direction. Par contre, la charge électrique, la masse et la température sont des quantités scalaires, caractéristées par un seul nombre.
La mécanique quantique attribue des valeurs discrètes bien définies au spin des particules, lesquelles se divisent en deux catégories. Les fermions ont un spin demi-entier (1/2, 3/2, 5/2 etc.). Les bosons ont un spin entier (0, 1, 2, etc.). Commençons par parler des particules qui nous sont familières. Les particules qui composent la matière (leptons, quarks, protons, neutrons) sont des fermions de spin 1/2. Les particules médiatrices des interactions et le boson de Higgs sont des bosons. Le photon, les gluons, le W et le Z sont des bosons de spin 1. Le boson de Higgs est un boson de spin 0.
Les fermions et les bosons ont des comportements collectifs opposés. Les bosons sont des particules "sociables" dans le sens que des bosons identiques avec exactement les mêmes propriétés peuvent occuper le même état. Par exemple, le principe du laser est dû au fait qu'un grand nombre de photons peuvent partager le même état. Par contre, les fermions sont des particules "solitaires", soumises au principe d'exclusion : il ne peut pas y avoir deux fermions identiques dans le même état. Cette propriété est à l'origine de la classification périodique des éléments chimiques et, plus généralement, de toute la chimie.