Définition Spin : qu’est-ce que c’est ?

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 Spin Aura Casino France le moment magnétique intrinsèque (de spin) sont tous deux confondus sous le terme de « spin ». Il est toutefois souvent assimilé au moment cinétique (voir Le moment cinétique de spin et Précession de Thomas).

On les appelle des fermions, dont un exemple bien connu est l’électron, qui possède précisément un spin . Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Cette propriété induit des phénomènes collectifs remarquables, observés par exemple dans les lasers ou la condensation de Bose-Einstein, où de nombreux bosons « s’assemblent » dans un même état d’énergie. Les électrons, protons et neutrons en sont les exemples types, et c’est cette propriété qui explique la structure en couches des atomes, la stabilité de la matière et la diversité chimique observée dans l’univers. En mécanique quantique, le spin est un opérateur vectoriel hermitien comportant trois composantes, notées usuellement et par référence aux trois axes de coordonnées cartésiennes de l’espace physique.

Il intervient dans des effets quantiques spectaculaires, tels que l’effet Hall quantique, et influence les propriétés magnétiques et optiques des matériaux. 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 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. Lorsqu’une particule est soumise à un champ magnétique, son spin lui confère un moment magnétique intrinsèque, observable expérimentalement, par exemple dans l’expérience de Stern et Gerlach.

Le formalisme mathématique développé pour décrire le spin repose sur la théorie des groupes et les matrices de Pauli, qui représentent concrètement cette grandeur dans l’espace mathématique des états quantiques. La quantification du spin est donc un aspect profondément contre-intuitif mais fondateur de la mécanique quantique, marquant une différence essentielle avec ce que l’on observe à l’échelle macroscopique. Ce moment cinétique intrinsèque ne dépend ni de l’état de mouvement de la particule ni de son environnement, il en est tout simplement une caractéristique fondamentale, tout comme sa masse ou sa charge électrique. Le spin constitue en réalité une propriété intrinsèque, inaliénable, qui n’a aucune correspondance concrète dans notre perception du mouvement d’objets usuels.

• 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 “.
• Ce nombre, associé à d’autres quantités, permet de prévoir les interactions, la statistique et même le comportement collectif de millions de particules entre elles.
• 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 propriété induit des phénomènes collectifs remarquables, observés par exemple dans les lasers ou la condensation de Bose-Einstein, où de nombreux bosons « s’assemblent » dans un même état d’énergie.
• Il est donc soumis aux mêmes lois générales qui régissent tout autre moment cinétique quantique, tel que, par exemple, le moment cinétique orbital.

En 1928, Paul Dirac construisit une version quantique et relativiste de l’équation de Schrödinger, appelée aujourd’hui équation de Dirac, qui permet de décrire les fermions de spin 1/2. 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.

C’est la seule observable quantique qui ne présente pas d’équivalent classique, contrairement, par exemple, à la position, l’impulsion ou l’énergie d’une particule.

Deux objets ayant des propriétés de symétrie similaires seront donc associés à des représentations équivalentes du groupe des rotations. Les nombres quantiques de spin nucléaire sont écrits I pour le spin, et mI ou MI pour la composante sur l’axe-z. Aux basses températures, la différence explique que seuls les bosons puissent former un condensat de Bose-Einstein.

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Origine et compréhension du concept de spin en physique quantique

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