En mécanique quantique, le spin est représenté par un opérateur vectoriel possédant des valeurs propres quantifiées, reliées au comportement des particules sous une rotation. Cette expérience figure parmi les démonstrations clés de la quantification du moment angulaire intrinsèque, limitant tout résultat possible à un nombre fini de valeurs. Les propriétés statistiques qui en découlent déterminent en profondeur la nature des phases de la matière, les lois de la chimie et même le comportement des étoiles. Cette dernière a https://spin-aura-france.fr/ permis de mettre en évidence que le spin ne prend que des valeurs quantifiées, alors que les orientations classiques d’un moment angulaire sont en théorie continues.
- Il est toutefois souvent assimilé au moment cinétique (voir Le moment cinétique de spin et Précession de Thomas).
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- Le spin est une propriété quantique, il ne peut prendre que des valeurs entières ou demi-entières.
- Deux objets ayant des propriétés de symétrie similaires seront donc associés à des représentations équivalentes du groupe des rotations.
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- L’approche développée par Pauli consistait à introduire de façon ad-hoc le spin en ajoutant un postulat supplémentaire aux autres postulats de la mécanique quantique non relativiste (équation de Schrödinger, etc.).
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Aux basses températures, la différence explique que seuls les bosons puissent former un condensat de Bose-Einstein. Le spin est le moment cinétique intrinsèque des particules quantiques. Enfin, c’est en théorie quantique des champs que le spin montre son caractère le plus fondamental. En 1928, à partir de l’équation de Klein-Gordon, Paul Dirac démontra qu’une particule ayant un spin non nul vérifie une équation relativiste, appelée aujourd’hui équation de Dirac. Enfin, le moment cinétique intrinsèque (de spin) et le moment magnétique intrinsèque (de spin) sont tous deux confondus sous le terme de « spin ».
Le vecteur passant par l’origine et pointant sur la projection du complexe u sur la sphère de Riemann donne une visualisation géométrique de l’état de spin 1/2 comme étant une direction dans l’espace. Selon cette représentation, tout état de spin 1/2 trouve une représentation géométrique (voir figure ci-contre). Selon les règles de la mécanique quantique, l’état quantique représenté par et sont physiquement rigoureusement les mêmes. Historiquement, le spin a d’abord été interprété par Uhlenbeck et Goudsmit en septembre 1925 UG25 comme étant un moment cinétique intrinsèque, c’est-à-dire comme si la particule ” tournait sur elle-même “. Le spin y apparaît comme une propriété dérivée de son équation, et non comme un postulat supplémentaire à rajouter de façon ad-hoc.
Différences fondamentales entre fermions et bosons
L’approche développée par Pauli consistait à introduire de façon ad-hoc le spin en ajoutant un postulat supplémentaire aux autres postulats de la mécanique quantique non relativiste (équation de Schrödinger, etc.). De façon plus rigoureuse, comme on va le voir plus bas, l’analyse du comportement des objets sous l’effet des rotations nécessite de prendre en compte la structure mathématique de groupe formé par celles-ci. Pourtant l’analyse mathématique rigoureuse du groupe des rotations montre une structure subtile qui permet à certains objets d’avoir un spin demi-entier. De façon générale, un objet possède un spin s’il est invariant sous une rotation d’angle . La compréhension du spin et de ses applications, notamment dans des domaines comme la spintronique, ouvre la voie à des innovations majeures en physique et en technologies de l’information.
Les particules possédant un spin demi-entier s’appellent fermions, celles possédant un spin entier s’appellent bosons. Bien que lié aux phénomènes de quantification du moment angulaire, le spin est bel et bien une propriété intrinsèque des particules. C’est ainsi que l’on peut dire qu’une particule de spin 2 telle que le graviton (voir ci-dessous) possède la même symétrie du point de vue des rotations qu’une dame de pique car tous deux se transforment dans des représentations équivalentes. L’enjeu contemporain autour du spin ne se limite pas à ses applications technologiques, il touche aussi à la compréhension des lois les plus profondes régissant la nature. Il intervient dans des effets quantiques spectaculaires, tels que l’effet Hall quantique, et influence les propriétés magnétiques et optiques des matériaux.
La Team Spin Family
Dans le cas de l’électron, la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) est fondée sur les mêmes principes et sert à étudier les radicaux libres, c’est-à-dire les espèces qui possèdent un électron non apparié. En mécanique quantique, le moment angulaire de spin (spin) contient également ces informations, mais dans une forme plus subtile. En mécanique classique, le moment angulaire d’une particule possède non seulement une magnitude (vitesse de rotation de la particule), mais également une direction (direction de l’axe de rotation de la particule).