Espín

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El espín, en física (Del inglés spin, giro, girar), es una propiedad de las partículas fundamentales (como lo es la masa o la carga), que fue introducido en 1925 por Ralph Kronig, e, independientemente, por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit. Los dos físicos descubrieron que la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectros atómicos; añadiendo un número cuántico adicional el espín del electrón, Goudsmit y Uhlenbeck lograron dar una explicación más completa de los espectros atómicos. Pronto, el concepto de espín se amplió a todas las partículas subatómicas, incluidos los protones, los neutrones y las antipartículas.

El espín proporciona una medida del momento angular intrínseco de dichas partículas, pero, en contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico.

En las teorías cuánticas no relativistas el espín debe introducirse de manera artificial, mientras que en las relativistas aparece de manera natural.

Tabla de contenidos

1 Propiedades del espín
2 Aplicaciones a las nuevas tecnologías o a tecnologías futuras
- 2.1 Magnetorresistencia y láser
- 2.2 Espintrónica y computación cuántica
3 Enlaces externos

[editar] Propiedades del espín

Como propiedad mecanocuántica, el espín presenta una serie de cualidades que lo distinguen del momento angular clásico. Está cuantizado, lo que significa que no puede variar de forma gradual, sino que solo puede tener valores discretos. Por ejemplo, el momento angular de espín de un electrón, si se mide en cualquier dirección particular dada por un campo magnético externo, puede resultar únicamente en los valores

$\hbar/2$

ó bien

$-\hbar/2$

(donde $\hbar$ es la constante de Planck dividida entre $2π$ ).

La magnitud del espín (independiente de la dirección) es única para cada tipo de partícula elemental. Para los electrones, los protones y los neutrones, esta magnitud es $\hbar/2$ . En general, todos los fermiones presentan espines "semienteros", esto es,

$n\cdot\hbar+\hbar/2$ .

Los bosones tienen estados de espín "entero" ( $n\cdot\hbar$ ). Así, los fotones por ejemplo tienen espín "unidad" ( $\hbar$ ). Algunas partículas exóticas como el pión tienen espín nulo. Los principios de la mecánica cuántica indican que los valores del espín se limitan a múltiplos enteros o semienteros de $\hbar$ ), al menos bajo condiciones normales.

Las partículas con espín presentan un momento magnético, recordando a un cuerpo cargado eléctricamente en rotación (de ahí el origen del término: spin, en inglés, significa "girar"). La analogía se pierde al ver que el momento magnético de espín existe para partículas sin carga, como el fotón. El ferromagnetismo surge del alineamiento de los espines (y, ocasionalmente, de los momentos magnéticos orbitales) en un sólido.

$\left( \sigma _x \hat{x} + \sigma _y \hat{y} + \sigma _z \hat{z} \right)$ es el operador espín en forma vectoria siendo $σ i$ las matrices de Pauli.

Por ejemplo: Para medir el espín en la dirección z (en coordenadas cartesianas) hay dos autoestados de S. Se asignan vectores a los espines como sigue:

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

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

entonces el operador correspondiente en dicha representación será

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

En representación matricial el operador actúa con los vectores de dirección llamados "espinores".

[editar] Aplicaciones a las nuevas tecnologías o a tecnologías futuras

[editar] Magnetorresistencia y láser

Actualmente, la microelectrónica encuentra aplicaciones a ciertas propiedades o efectos derivados de la naturaleza del espín, como es el caso de la magnetorresistencia (MR) o la magnetorresistencia gigante (MRG) que se aprovecha en los discos duros.

Se puede ver el funcionamiento de los láseres como otra aplicación de las propiedades del espín. En el caso de los bosones se puede forzar a un sistema de bosones a posicionarse en el mismo estado cuántico. Este es el principio fundamental del funcionamiento de un láser en el que los fotones, partículas de espín entero, se disponen en el mismo estado cuántico produciendo trenes de onda en fase.

[editar] Espintrónica y computación cuántica

Al uso, presente y futuro, de tecnología que aprovecha propiedades específicas de los espines o que busca la manipulación de espines individuales para ir más allá de las actuales capacidades de la electrónica se la conoce como espintrónica.

También se baraja la posibilidad de aprovechar las propiedades del espín para futuras computadoras cuánticos, en los que el espín de un sistema aislado pueda servir como qubit o bit cuántico.