Spin

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Le spin est, en physique quantique, une des propriétés des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Comme d'autres observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d'incertitude. C'est la seule observable quantique qui ne présente pas d'équivalent classique [1], contrairement, par exemple, à la position, l'impulsion ou l' énergie d'une particule. Il est toutefois souvent assimilé au moment cinétique (cf paragraphe 2 de cet article, ou Précession de Thomas), ou à la rotation d'un astre sur lui-même, comme dans l'expression «  résonance spin-orbite ». Enfin, le moment cinétique intrinsèque (de spin) et le moment magnétique intrinsèque (de spin) sont tous deux confondus sous le terme de « spin ».

Le spin a d'importantes implications théoriques et pratiques, il influence pratiquement tout le monde physique. Il est responsable du moment magnétique de spin et donc de l' effet Zeeman anomal (parfois incorrectement appelé « anormal ») qui en découle.

Les particules sont classées selon la valeur de leur nombre quantique de spin (aussi appelé communément le spin) : les bosons de spin entier ou nul, et les fermions de spin demi-entier. Fermions et bosons se comportent différemment dans des systèmes comprenant plusieurs particules identiques ; le comportement fermionique de l'électron est ainsi la cause du principe d'exclusion de Pauli et des irrégularités de la table périodique des éléments. L' interaction spin-orbite conduit à la structure fine du spectre atomique. Le spin de l'électron joue un rôle important dans le magnétisme, et la manipulation des courants de spins dans des nano-circuits conduit à un nouveau champ de recherche : la spintronique. La manipulation des spins nucléaires par résonance magnétique nucléaire est importante dans la spectroscopie RMN et l'imagerie médicale ( IRM). Le spin du photon – ou plus exactement son hélicité – est associé à la polarisation de la lumière.

Historique

La genèse du concept de spin fut l'une des plus difficiles de l'histoire de la physique quantique au début du e siècle [2]. L' effet Zeeman anomal, la structure hyperfine des raies spectrales ou encore l' expérience de Stern et Gerlach (1922) posaient à cette époque de grosses difficultés d'interprétation. La découverte du spin par Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck en septembre 1925 [3] a été révolutionnaire. Immédiatement après la publication de ce concept, un problème de facteur 2 dans la structure fine du spectre de l'hydrogène, identifié par Heisenberg, fut résolu par les deux physiciens et publié en décembre 1925 [4]. Leur interprétation incorporait la nouvelle notion de spin.

Le spin a d'abord été interprété comme un degré de liberté supplémentaire, s'ajoutant aux trois degrés de liberté de translation de l'électron : son moment cinétique intrinsèque (ou propre). En d'autres termes, l'électron ponctuel était vu comme tournant sur lui-même — d'où le nom de « spin », en anglais « tourner rapidement ». Cependant, il est vite apparu que cette « rotation » est purement quantique, et n'a pas d'équivalent en mécanique classique. La représentation du spin en termes de simple rotation est donc abandonnée. Wolfgang Pauli avait déjà montré en 1924 que, compte tenu des dimensions connues de l'électron, une rotation de l'électron nécessiterait une vitesse tangentielle de rotation à son équateur qui serait supérieure à la vitesse de la lumière [5], vitesse en principe infranchissable selon la théorie de la relativité restreinte.

La notion théorique de spin a été introduite par Pauli en décembre 1924 [6] pour l'électron, afin d'expliquer un résultat expérimental qui restait incompréhensible dans le cadre naissant de la mécanique quantique non-relativiste : l' effet Zeeman anomal. 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 Schrödingeretc.).

En 1927, Wolfgang Pauli a proposé la modélisation du spin en termes de matrices, ce qui correspond à une écriture en termes d' opérateurs sur la fonction d'onde intervenants dans l' équation de Schrödinger : l' équation de Pauli. 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, c'est en théorie quantique des champs que le spin montre son caractère le plus fondamental. L'analyse du groupe de Poincaré effectuée par Wigner en 1939 montra en effet qu'une particule est associée à un champ quantique, opérateur qui se transforme comme une représentation irréductible du groupe de Poincaré. Ces représentations irréductibles se classent par deux nombres réels positifs : la masse et le spin.

Le spin du photon a été mis en évidence expérimentalement par Râman et Bhagavantam en 1931 [7].

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