Spin - Définition et Explications

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Introduction

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 (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) et sa charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...). Comme la majorité des observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d'incertitude.

Le spin a été expérimentalement mis en évidence en 1922 dans l'expérience de Stern et Gerlach et a été d'abord interprété comme le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle...) d'une rotation de la particule sur elle-même, autour d'un axe. Cette image est correcte dans la mesure où le spin peut être modélisé par les mêmes lois mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) qu'un moment angulaire (quantique), mais comme cette interprétation implique une propriété géométrique qui est en contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) avec la relativité, elle a été abandonnée. On désigne parfois le spin comme un moment angulaire (ou cinétique) intrinsèque, c'est-à-dire répondant aux mêmes lois algébriques, sans correspondre à la représentation géométrique que l'on s'en fait.

En 1927, Wolfgang Pauli (Wolfgang Ernst Pauli (25 avril 1900 à Vienne - 15 décembre 1958...) 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) intervenants dans l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) de Schrödinger : l'équation de Pauli. En 1928, Paul Dirac (Paul Adrien Maurice Dirac (8 août 1902 à Bristol, Angleterre - 20 octobre 1984 à...) en a démontré la version relativiste : l'équation de Dirac (L'équation de Dirac est une équation formulée par Paul Dirac en 1928 dans le cadre de sa...). En 1940, Eugène Wigner a démontré que le spin est l'un de deux invariants (avec la masse) quand on fait subir à un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'un espace de Hilbert (Un espace de Hilbert est un espace de Banach (donc complet) dont la norme découle d'un produit...), décrivant un système quantique, des transformations correspondant à des translations, des rotations et des symétries dans l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) à quatre dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) de la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...) (ces opérations formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) le groupe des isométries de l'espace de Minkowski (Un espace de Minkowski, du nom de son inventeur Hermann Minkowski, est un espace affine...) appelé le groupe de Poincaré). Cela mène à la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) moderne du spin : le spin permet de caractériser le comportement du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) associé à une particule sous l'effet de la symétrie de rotation de l'espace.

Le spin a d'importantes implications théoriques et pratiques. Il est responsable du moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) de spin et donc de l'effet Zeeman (L'effet Zeeman est un phénomène physique, découvert par Pieter Zeeman, physicien néerlandais...) anomal qui en découle. Les particules sont classées selon la valeur de leur spin : les bosons de spin entier 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 (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) est ainsi la cause du principe d'exclusion de Pauli, des régularités de la table périodique des éléments, et de la stabilité des liaisons chimiques. L'interaction spin-orbite conduit à la structure fine du spectre atomique. Le spin de l'électron joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle important dans le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...), et la manipulation des courants de spins dans des nano-circuits conduit à un nouveau champ de recherche : la spintronique. La manipulation des spin nucléaires par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son...) est importante dans la spectroscopie chimique et l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir...) (IRM). Le spin du photon – ou plus exactement son hélicité – est associé à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...).

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