Spin là gì

Spin là gì
Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mô men xung lượng và
là một hiện tượng của cơ học lượng tử thuần túy, không cùng với những sự
tương đồng trong cơ học cổ điển. Trong cơ học cổ điển, mô men xung
lượng được phát triển từ xung lượng cho sự quay của một vật có khối
lượng, và được biểu diễn bằng công thức L = r × p, nhưng spin trong cơ học
lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0, bởi vì spin là bản chất
nội tại của hạt đó. Các hạt cơ bản như electron có thể có spin khác 0, ngay
cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại. Khái niệm spin
được đưa ra lần đầu vào năm 1925 bởiRalph Kronig và, đồng thời,
bởi George Unlenbeck và Samuel Goudsmit một cách độc lập.
Một hạt cơ bản như electron có thể quay trên một quỹ đạo xung quanh hạt
nhân như Trái Đất quay quanhMặt Trời. Chỉ có điều khác, cách miêu tả
sự tự quay của electron khác với cách miêu tả sự tự quay của Trái Đất. Khi
một đối tượng quay quanh mình nó, tất cả các điểm trên trục quay, giống
như tâm điểm của một đĩa quay, đều không chuyển động. Tuy nhiên, nếu
một vật nào đó có dạng điểm, thì nó sẽ không có những điểm khác nằm
ngoài bất kỳ trục quay nào. Và như vậy, sẽ không có chuyển động tự quay
của một hạt điểm. Tuy nhiên, suy luận trên đã bị nghi ngờ bởi những nhà
vật lý lượng tử .
Năm 1925, hai nhà vật lý người Hà Lan là George Uhlenbeck và Samuel
Goudsmit đã nhận thấy rằng một khối lượng lớn các số liệu khó hiểu liên
quan đến những tính chất của ánh sáng phát xạ và hấp thụ bởi cácnguyên
tử có thể giải thích được nếu như giả thiết rằng electron có những tính chất
từ rất đặc biệt. Trước đó, nhà vật lý người Pháp, Andre Marie
Ampere đã chứng tỏ được rằng các điện tích chuyển động sinh ra từ
trường, George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit đi theo hướng đó và đã
phát hiện ra chỉ có một loại chuyển động đặc biệt của electron mới tạo ra
được những tính chất từ phù hợp với các số liệu đo được: đó là chuyển
động tự quay, hay còn gọi là spin. Hai ông đã viết một bài báo ngắn, với kết
luận "các electron vừa quay vừa tự quay". Theo bài báo ngắn trên, mỗi

electron trong vũ trụ luôn luôn và mãi mãi quay với một tốc độ cố định và
không bao giờ thay đổi. Spin của electron không phải là một trạng thái
chuyển động nhất thời như đối với những vật quen thuộc mà vì một nguyên
nhân nào đó khiến cho chúng tự quay. Spin của electron là một tính chất nội
tại, cố hữu giống như khối lượng và điện tích của nó. Nếu một electron
không có spin thì nó không còn là một electron nữa.
Ý tưởng về spin ban đầu chỉ tập trung vào electron, nhưng sau đó các
nhà vật lý đã mở rộng ý tưởng này với tất cả các hạt vật chất được liệt kê
trong bảng các họ hạt cơ bản, cùng với hạt graviton, là hạt ảo hay hạt
truyền tương tác trong tương tác hấp dẫn.
Công thức toán học cho spin
Toán tử của Spin A biểu diễn gần giống với toán tử mô men xung
lượng L, ở đó l = 1/2. Toán tử spin có 2giá trị cực biên là ,ở đó
là hằng số Planck, sẽ ứng với hai trạng thái Spin up và Spin down.
Không khó khăn lắm để đo được spin ở một hướng - toán tử tương ứng sẽ
là ở đó n là vectơ đơn vị theo hướng tùy thích và

là toán tử vector spin còn ̀σ-s là ma trận Pauli.
Ví dụ, muốn đo spin theo hướng Z trong trục tọa độ Đề Cát. Sẽ có 2 vị trí
trạng thái cực biên - Spin up và Spin down. Nếu ta có một vectơ tọa độ như
sau

Thì toán tử tương ứng trong biểu diễn trên sẽ là

Được gọi là ma trận biểu diễn. Các phép toán tử̀ trong các vectơ tọa độ
được gọi là spinor
Ứng dụng của spin
Có một ngành khoa học mới ra đời mang tên Spintronics (Điện tử học
spin).Tên gọi này bắt nguồn từ việc sử dụng spin hay moment từ
của electron thay vì sử dụng điện tích của nó trong các ngành như

microelectronics .Tính chất từ của electron hay spin của nó được giải thích
bởi Dirac khi nhà vât lý thiên tài này trong nỗ lực kết hợp cơ học lượng
tử và thuyết tương đối. Các dụng cụ sử dụng tính chất spin của điện tử có
thể được dùng trong các máy tính lượng tử và thông tin lượng tử trong
tương lai.
Thực tế là sự định hướng của spin điện tử được sử dụng trong các cảm biến
từ, đặc biệt là trong các đầu đọc và ổ cứng từ. Trong tất cả các môi trường
ghi từ thì bề mặt ghi có chứa các lớp từ, các lớp từ này được chia thành các
vùng từ nhỏ (magnetic domains). Moment từ của các vùng từ này được biểu
diễn bởi hai trạng thái thông tin ‘0’ và ‘1’. Trong trường hợp của ổ đĩa
cứng, các trạng thái này đươc đọc bởi một dụng cụ mỏng và nhạy có chứa
các lớp vật liệu từ và không từ xen kẽ nhau.
Ưu điểm thứ hai của các dụng cụ sử dụng tính chất của spin là khả năng tích
trữ. Trong những năm gần đây, nhờ sự phát hiện của hiệu ứng từ điện trở
khổng lồ (GMR), mà khả năng tích trữ của các vật liệu từ tăng lên một cách
nhanh chóng. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được khám phá bởi Albert
Fert (thuộc trường đại học Paris 11 và Peter Grunberg, nó bắt nguồn từ
spin-up và spin-down của điện tử gặp các trở kháng khác nhau khi chúng đi
qua các lớp từ. Các điện tử với spin định hướng cùng chiều (sắt từ) sẽ gặp
một sự trở kháng bé hơn so với các điện tử có spin định hướng ngược chiều
nhau. Sau sự ra đời của GMR, thì TMR(tunnelling magnetoresistance)
cũng ra đời, nó sinh ra một sự thay đổi điện trở lớn hơn nhiều so với GMR
trong một trường bé.
Lionking (Theo )