spinn (kvantemekanikk)

De aller fleste elementærpartikler har et kvantemekanisk spinn. En av de viktigste partiklene som har spinn er elektroner. Elektronspinnet kan forenklet visualiseres som at elektronet er en punktpartikkel som roterer rundt sin egen akse og dermed skaper en intern dreieimpuls.

Et elektronspinn oppfører seg likevel annerledes enn vanlige rotasjoner. Dette vises blant annet matematisk ved at elektronet må rotere to ganger rundt sin egen akse for å komme tilbake til utgangsposisjonen for elektronspinnet.

Elektronspinnet er karakterisert ved spinnkvantetallet s = ±¹/₂. Det magnetiske spinnkvantetallet m beskriver hvilken verdi spinnet har langs en bestemt akse og kan ha verdiene +¹/₂ og -¹/₂. Disse verdiene beskrives vanligvis med at man sier at elektronspinnet peker opp eller ned.

For andre elementærpartikler har spinnkvantetallet andre verdier. Partikler med heltallig egenspinn kalles bosoner, partikler med halvtallig egenspinn kalles fermioner.

Spinn er nært knyttet til det magnetiske momentet som en partikkel kan inneha. Når en elementærpartikkel har både elektrisk ladning og spinn, har det dessuten et magnetisk moment. I noen materialer vil de magnetiske momentene til elektroner i stor grad rette seg inn langs én bestemt retning. Dette gir opphav til ferromagnetisme.

Fysikeren Wolfgang Pauli utarbeidet en matematisk og kvantemekanisk beskrivelse av elektronspinnet kort tid etter at han i 1924 la frem idéen om eksistensen til spinnet.

Elektronspinnet er en sentral komponent i feltet spinntronikk. Her er målet å benytte seg av spinn til å lagre og transportere informasjon innen for eksempel data- og kommunikasjonsteknologi. En vesentlig fordel med spinntronikk i forhold til elektronikk er at minnefunksjonalitet i spinntronikk ikke krever strøm, siden magnetiske momenter ikke trenger elektrisitet for å bevare sine retninger (som representerer dataen som skal lagres).

Spinn opptrer, i motsetning til klassisk mekanikk, som en kvantisert størrelse. Innen kvantemekanikk er det dessuten vanlig at begrepet spinn er forbeholdt den interne dreieimpulsen til en partikkel, i motsetning til den totale dreieimpulsen.

Kvadratet av spinnvektoren for et atomært system (atom, molekyl, atomkjerne) i en egentilstand er lik J (J + 1)ℏ², hvor ℏ = h/2π, h er Plancks konstant. J er et tall, spinnkvantetallet. Det kan anta verdiene 0, 1, 2, 3,..., heltallig spinn; eller ½, ³/₂, ⁵/₂,..., halvtallig spinn.

Etter kvantemekanikkens lover er spinnet, som i den klassiske mekanikk, en bevegelseskonstant så lenge et system har rotasjonssymmetri. Lengden av en spinnkomponent som observeres langs en akse er lik Mℏ, hvor M er et tall mellom –J og +J, heltallig hvis J er heltallig, og halvtallig hvis J er halvtallig. Spinnkomponenten observeres som regel i forhold til retningen av et magnetfelt, og M kalles derfor magnetisk kvantetall.

Et systems totale spinn fremkommer ved bidrag fra de enkelte partiklers spinn. For hver partikkel i systemet er spinnet satt sammen av banespinnet, det vil si bevegelsesmengdemomentet om systemets tyngdepunkt, og egenspinnet.

På samme måte som systemets totale spinn uttrykkes ved kvantetallet J, uttrykkes den enkelte partikkels spinn ved kvantetallene for totalt spinn, j, for banespinn, l, og for egenspinn, s. Av disse er l alltid et helt tall.

For partikler som inngår i atomære systemer (elektron, proton, nøytron), er s = ½ og j = l ± ½. For andre elementærpartikler kan egenspinnet være heltallig eller halvtallig.

• spinn
• kvantemekanikk
• elektron