Tài liệu Spin doc

Spin

Spin của photon

The head-on collision of a quark (red ball) from one proton (orange ball) with a gluon
(green ball) from another proton with opposite spin, spin is represented by the blue
arrows circling the protons and the quark. The blue question marks circling the gluon
represent the question: Are gluons polarized? Ejected from the collision are a shower of
quarks and a photon of light (purple ball).
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 bởi Ralph Kronig và, đồng thời, bởi George Unlenbeck và Samuel Goudsmit
một cách độc lập.
Ý tưởng hình thành
Một hạt cơ bản như electron có thể quay trên một quỹ đạo xung quanh hạt nhân như Trái
Đất quay quanh Mặt 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 các nguyên 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.
Tính chất của spin
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 2 giá 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 Descartes. 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.