Espín

Na Galipedia, a wikipedia en galego.

É a propiedade básica das partículas elementais que determina se as particulas satisfan o principio de exclusión de Pauli (daquela son fermións, seguindo a estatística de Fermi-Dirac) ou non (entón son bosóns, satisfacendo a estatística de Bose-Einstein).

Índice

1 Introducción
2 Propiedades do espín
3 Aplicacións ás novas tecnoloxías ou a tecnoloxías futuras
- 3.1 Magnetorresistencia e láser
- 3.2 Espintrónica e computación cuántica
4 Ligazóns externos

[editar] Introducción

O espín, en física (Do inglés spin, xiro, virar), é unha propiedade das partículas fundamentais (como o é a masa ou a carga), que foi introducido en 1925 por Ralph Kronig, e, de xeito independente, por George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit. Os dous físicos descubriron que a teoría cuántica da época non podía explicar algunhas propiedades dos espectros atómicos; engadindo un número cuántico adicional o espín do electrón, Goudsmit e Uhlenbeck lograron dar unha explicación máis completa dos espectros atómicos. Pronto, o concepto de espín ampliouse a todas as partículas subatómicas, incluídos os protones, os neutrones e as antipartículas.

O espín proporciona unha medida do momento angular intrínseco de devanditas partículas, pero, en contraste coa mecánica clásica, onde o momento angular asóciase á rotación dun obxecto extenso, o espín é un fenómeno exclusivamente cuántico.

Nas teorías cuánticas non relativistas o espín debe introducirse de xeito artificial, mentres que nas relativistas aparece de xeito natural.

[editar] Propiedades do espín

Como propiedade mecanocuántica, o espín presenta unha serie de cualidades que o distinguen do momento angular clásico. Está cuantizado, o que significa que non pode variar de forma gradual, senón que só pode ter valores discretos. Por exemplo, o momento angular de espín dun electrón, se se mide en calquera dirección particular dada por un campo magnético externo, pode resultar únicamente nos valores

\hbar/2

-\hbar/2

(onde \hbar é a constante de Planck dividida entre 2\pi).

A magnitude do espín (independente da dirección) é única para cada tipo de partícula elemental. Para os electróns, os protóns e os neutróns, esta magnitude é \hbar/2. En xeral, todos os fermiones presentan espines "semienteiros", isto é,

n\cdot\hbar \hbar/2.

Os bosóns teñen estados de espín "enteiro" (n\cdot\hbar). Así, os fotóns por exemplo teñen espín "unidade" (\hbar). Algunhas partículas exóticas como o pión teñen espín nulo. Os principios da mecánica cuántica indican que os valores do espín limítanse a múltiplos enteiros ou semienteros de \hbar), polo menos baixo condicións normais.

As partículas con espín presentan un momento magnético, recordando a un corpo cargado eléctricamente en rotación (de aí a orixe do termo: spin, en inglés, significa "virar"). A analogía pérdese ó ver que o momento magnético de espín existe para partículas sen carga, como o fotón. O ferromagnetismo xurde do alineamento dos espines (e, ocasionalmente, dos momentos magnéticos orbitais) nun sólido.

$\left( \sigma _x \hat{x} + \sigma _y \hat{y} + \sigma _z \hat{z} \right)$ é o operador espín en forma vectorial sendo $σ i$ as matrices de Pauli.

Por exemplo: Para medir o espín na dirección z (en coordenadas cartesianas) hai dúas autoestados de S. Asígnanse vectores ós espines como segue:

$| {\uparrow} \rangle = \left \vert {m = +\frac 1 2} \right \rangle = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix}$

$| {\downarrow} \rang = \left \vert {m = -\frac 1 2} \right \rang = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix}$

entón o operador correspondente en devandita representación será

$S_z = \frac{\hbar}{2} \sigma _z = \frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix} - 1&0\\ 0&-1 \end{pmatrix}$

En representación matricial o operador actúa cos vectores de dirección chamados "espinores".

[editar] Aplicacións ás novas tecnoloxías ou a tecnoloxías futuras

[editar] Magnetorresistencia e láser

Na actualidade, a microelectrónica atopa aplicacións a certas propiedades ou efectos derivados da natureza do espín, como é o caso da magnetorresistencia (MR) ou a magnetorresistencia xigante (MRG) que se aproveita nos discos duros.

Pódese ver o funcionamento dos láseré como outra aplicación das propiedades do espín. No caso dos bosones pódese forzar a un sistema de bosóns a posicionarse no mesmo estado cuántico. Este é o principio fundamental do funcionamento dun láser no que os fotóns, partículas de espín enteiro, dispóñense no mesmo estado cuántico producindo trens de onda en fase.

[editar] Espintrónica e computación cuántica

Ó uso, presente e futuro, de tecnoloxía que aproveita propiedades específicas dos espines ou que busca a manipulación de espines individuais para ir máis aló das actuais capacidades da electrónica coñéceselle como espintrónica.

Tamén se está a investigar a posibilidade de aproveitar as propiedades do espín para futuras computadoras cuánticas, nos que o espín dun sistema illado poida servir como qubit ou bit cuántico.