Spin

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Spin là một đại lượng vật lý, có bản chất của mô men động lượng và là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển. Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được biểu diễn bằng công thức L = r × p, còn mô men spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt có khối lượng bằng 0, bởi vì spin là bản chất nội tại của hạt đó. Các hạt cơ bản như electron, quark đều có spin bằng  \hbar/2 (sau đây sẽ gọi tắt là 1/2), ngay cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại. Khái niệm spin được Ralph Kronig đồng thời và độc lập với ông, là George Unlenbeck, Samuel Goudsmit đưa ra lần đầu vào năm 1925.

Spin của photon

Ý tưởng hình thành[sửa | sửa mã nguồn]

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 LanGeorge UhlenbeckSamuel Goudsmit đã nhận thấy rằng một khối lượng lớn các số liệu thực nghiệm khó hiểu liên quan đến tính chất của ánh sáng phát xạhấp thụ bởi các nguyên tử có thể giải thích được nếu như giả thiết rằng electron có một mô men từ riêng đặc biệt. Trước đó, nhà vật lý người Pháp, Andre Marie Ampere đã chứng tỏ rằng các điện tích chuyển động sinh ra từ trường, George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit cũng đi theo hướng đó và cho rằng electron có một loại chuyển động đặc biệt tạo ra 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 tự quay với một tốc độ cố định và không bao giờ thay đổi và vì thế chúng luôn có mô men động lượng riêng (sau gọi tắt là spin). Spin của electron không phải diễn tả trạng thái chuyển động nhất thời như đối với những vật quen thuộc mà diễn tả trạng thái tự quay cố hữu, không rõ nguyên nhân, xung quanh một trục riêng của nó. Quan niệm này sau đó được chứng tỏ rằng có mâu thuẫn với lý thuyết tương đối. Tuy nhiên, cho dù nguồn gốc sinh ra spin như thế nào chưa rõ, spin của tất cả các hạt cơ bản tạo nên thế giới vật chất, như electron, quark đều khác không và bằng 1/2, các hạt truyền tương tác, như photon cho tương tác điện từ, đều có spin bằng 1. Các hạt tạo bởi quark có thể có spin 1/2 như proton, neutron và cũng có thể có spin bằng 0, như pi - meson. Như vậy, spin là một đặc trưng nội tại của hạt, nó cố hữu giống như khối lượngđiện tích và được dùng để cá thể hóa hạt đó. Nếu một electron không có spin thì nó không còn là một electron nữa.

Ý tưởng về spin ban đầu chỉ hình thành cho electron, nhưng sau đó các nhà vật lý đã mở rộng cho tất cả các hạt vật chất được liệt kê trong bảng các thế hệ hạt cơ bản. Hạt graviton, nếu có, là hạt truyền tương tác hấp dẫn và sẽ có spin bằng 2.

Tính chất của spin[sửa | sửa mã nguồn]

Công thức toán học cho spin[sửa | sửa mã nguồn]

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 \pm \frac{\hbar}{2} ,ở đó  \hbar 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  \mathbf{S} \cdot \hat{n} ở đó n là vectơ đơn vị theo hướng tùy thích và

 \mathbf{S} = \frac{\hbar}{2} \mathbf{\sigma} = \frac{\hbar}{2} \left( \sigma _x \hat{x} + \sigma _y \hat{y} + \sigma _z \hat{z} \right)

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

 | {\uparrow} \rangle = \left \vert {m = +\frac 1 2} \right \rangle = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix}
 | {\downarrow} \rang = \left \vert {m = -\frac 1 2} \right \rang = \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix}

Thì toán tử tương ứng trong biểu diễn trên sẽ là

 S_z = \frac{\hbar}{2} \sigma _z = \frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix}
1&0\\ 0&-1 \end{pmatrix}

Được gọi là ma trận biểu diễn. Các phép toán tử̀ trong các vectơ tọa độ được gọi là spinor

Ứng dụng của spin[sửa | sửa mã nguồn]

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 Paul Dirac khi nhà vật lý thiên tài này trong nỗ lực kết hợp cơ học lượng tửthuyết tương đối. Các dụng cụ sử dụng tính chất spin của điện tử có thể được dùng trong các máy tính lượng tửthông 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 đọcổ 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 được 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.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]