Par ailleurs, la spintronique représente un champ d’application très actif, qui exploite la propriété du spin électronique, et non plus seulement la charge, dans les dispositifs de stockage et de traitement de l’information. Dans le domaine médical, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) repose sur la réaction des spins nucléaires, principalement ceux des protons de l’hydrogène, à un champ magnétique externe couplé à des ondes radio. Le contrôle et la manipulation du spin sont devenus des sujets majeurs dans les sciences physiques et les technologies avancées. La physique quantique, en introduisant la notion de spin, a ainsi offert une clé de compréhension puissante pour expliquer l’extraordinaire variété observée dans la nature. Ce nombre, associé à d’autres quantités, permet de prévoir les interactions, la statistique et même le comportement collectif rendez-vous sur le site de millions de particules entre elles. 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.
Comme d’autres observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d’incertitude. Le spin (/spin/) est, en physique quantique, une propriété interne des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Où g est un nombre sans dimension, appelé facteur de Landé (1921). Bien que semblant a priori purement mathématique, cette représentation de l’état de spin comme étant une direction dans l’espace possède une certaine pertinence.
Il est toutefois souvent assimilé au moment cinétique (voir Le moment cinétique de spin et Précession de Thomas). 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.
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.
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- 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.
- Il n’est pas toujours facile de déduire le spin d’une particule à partir de principes simples ; par exemple, même s’il est connu que le proton a un spin 1/2, la façon dont les particules élémentaires qui le composent sont disposées et arrangées est toujours un sujet actif de recherche (voir structure de Spin des nucléons),.
- Les nombres quantiques de spin sont définis aussi pour les systèmes de spins couplés, tels que les atomes de plus qu’un électron.
- 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.
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Définition. Facteur de Landé
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. 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.
