espín - Wikilingue - Encydia
O espín (do inglês spin 'giro, girar') refere-se a uma propriedade física das partículas subatómicas, pela qual toda partícula elementar tem um momento angular intrínseco de valor fixo. Isso implica que qualquer observador ao fazer uma medida do momento angular detectará inevitavelmente que a partícula possui um momento angular intríseco total, diferindo observadores diferentes só sobre a direcção de dito momento não sobre seu valor. Trata-se de uma propriedade intrínseca da partícula como o é a massa ou o ónus eléctrico. O espín foi introduzido em 1925 por Ralph Kronig e, independentemente, por George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit. Em 1920, os químicos analíticos chegaram à conclusão que, para descrever aos elétrons no átomo, além dos números cuánticos, se requeria de um quarto conceito, o chamado espín do elétron. Este, ao girar sobre seu próprio eixo gera um campo magnético, o denominado espín.
Os dois físicos, Goudsmit e Uhlenbeck, descobriram que, conquanto a teoria cuántica da época não podia explicar algumas propriedades dos espectros atómicos, acrescentando um número cuántico adicional, o espín, se conseguia dar uma explicação mais completa dos espectros atómicos. Cedo, o conceito de espín ampliou-se a todas as partículas subatómicas, incluídos os protones, os neutrones e as antipartículas.
O espín proporciona uma medida do momento angular e da acção, intrínseco de toda a partícula. Tudo isto em contraste com a mecânica clássica, onde o momento angular se associa à rotação de um objecto extenso. O espín é um fenómeno exclusivamente cuántico.
Existe uma relação directa entre o espín de uma partícula e a estatística que obedece em um sistema colectivo de muitas delas. Esta relação, conhecida empiricamente, é demostrable em teoria cuántica de campos relativista.
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Propriedades do espín
Como propriedade mecanocuántica, o espín apresenta uma série de qualidades que o distinguem do momento angular clássico:
- Em primeiro lugar o valor de espín está cuantizado, o que significa que não podem se encontrar partículas com qualquer valor do espín, senão que o espín de uma partícula sempre é um múltiplo inteiro de (onde
é a constante de Planck dividida entre 
, também telefonema constante de Dirac).
- Em segundo lugar, quando se realiza uma medida do espín em diferentes direcções, só existem dois possíveis valores iguais e de signo contrário, que são suas possíveis projecções sobre uma direcção predeterminada. Por exemplo, a projecção do momento angular de espín de um elétron, se mede-se em uma direcção particular dada por um campo magnético externo, pode resultar unicamente nos valores ou bem
.
- Em terceiro lugar, a magnitude do espín, independente da direcção, é única para a cada tipo de partícula elementar. Para os elétrons, os protones e os neutrones, esta magnitude é, em unidades de ,
sendo 
. Isto contrasta com o caso clássico onde o momento angular de um corpo ao redor de seu eixo pode assumir diferentes valores segundo a rotação seja mais rápida ou menos.
Teorema espín-estatística
Outra propriedade fundamental das partículas cuánticas é que parecem existir só dois tipos chamados fermiones e bosones, os primeiros obedecem a estatística de Fermi-Dirac e os segundos a estatística de Bose-Einstein. Isso implica que os agregados de fermiones idênticos estão descritos por funções de onda totalmente antisimétricas enquanto os bosones idênticos vêm descritos por funções de onda totalmente simétricas. Curiosamente existe uma conexão entre o tipo de estatística que obedecem as partículas e sua spin. Os fermiones têm espines semienteros e os bosones inteiros:
Onde n e m são números inteiros não negativos (números naturais) que dependem do tipo de partículas. Os elétrons, neutrones e protones são fermiones de espín enquanto os fotones têm espín . Algumas partículas exóticas como o pión têm espín nulo. Os princípios da mecânica cuántica indicam que os valores do espín se limitam a múltiplos inteiros ou semienteros de ), ao menos baixo condições normais.
Tratamento matemático do espín
Em mecânica cuántica o espín (de uma partícula de espín s) representa-se como um operador sobre um espaço de Hilbert de dimensão finita de dimensão 2s+1. Este operador vectorial vem dado por:
sendo 
as matrizes de Pauli (ou alguma outra base que gere o álgebra de Envolva seu(2)).
O processo de medida do espín mediante o operador 
faz-se da forma,
onde os operadores vêm dados pelas matrizes de Pauli. Estas se escrevem em função da base comum proporcionada pelos autovectores de .. 
A base em define-se 
para uma partícula (o caso mais singelo 
) que tem o espín com projecção na direcção z (em coordenadas cartesianas) há duas autoestados de S . Atribuem-se vetores aos espines como segue:
então o operador correspondente em dita representação será
Para partículas de espín superior a forma concreta das matrizes muda. Assim para partículas de espín s as matrizes que representam matematicamente o espín são matrizes quadradas de 2s+1 x 2s+1.
Espín e momento magnético
As partículas com espín apresentam um momento magnético, recordando a um corpo carregado electricamente em rotação (daí a origem do termo: spin, em inglês, significa "girar"). A analogia perde-se ao ver que o momento magnético de espín existe para partículas sem ónus, como o fotón. O ferromagnetismo surge do alineamiento dos espines (e, ocasionalmente, dos momentos magnéticos orbitais) em um sólido.
Aplicações às novas tecnologias ou a tecnologias futuras
Magnetorresistencia e laser
Actualmente, a microelectrónica encontra aplicações a certas propriedades ou efeitos derivados da natureza do espín, como é o caso da magnetorresistencia (MR) ou a magnetorresistencia gigante (MRG) que se aproveita nos discos duros.
Pode-se ver o funcionamento dos lasers como outra aplicação das propriedades do spin. No caso dos bosones pode-se forçar a um sistema de bosones a posicionar-se no mesmo estado cuántico. Este é o princípio fundamental do funcionamento de um laser no que os fotones, partículas de espín inteiro, se dispõem no mesmo estado cuántico produzindo comboios de onda em fase.
Espintrónica e computação cuántica
Ao uso, presente e futuro, de tecnologia que aproveita propriedades específicas dos spines ou que procura a manipulação de espines individuais para ir para além das actuais capacidades da electrónica lha conhece como espintrónica.
Também se baralha a possibilidade de aproveitar as propriedades do espín para futuros computadores cuánticas, nos que o espín de um sistema isolado possa servir como qubit ou bit cuántico. Neste sentido, o físico teórico Michio Kaku, em seu livro universos paralelos, explica de modo singelo e divulgativo como os átomos podem ter orientado seu espin para acima, para abaixo ou a um lado, indistintamente. Os bits de computador ( 0 e I ) poderiam ser substituídos por qubit (algo entre 0 e I ), convertendo os computadores cuánticas em uma ferramenta bem mais potente. Isto permitiria não só renovar os fundamentos da informática senão superar os processadores actuais baseados no silício.
