Le spin () est, en physique quantique, une propriété interne des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Comme d'autres observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d'incertitude. 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.
Il est toutefois souvent assimilé au moment cinétique (voir Le moment cinétique de spin et Précession de Thomas). Enfin, le moment cinétique intrinsèque (de spin) et le moment magnétique intrinsèque (de spin) sont tous deux confondus sous le terme de « spin ».
Le spin a d'importantes implications théoriques et pratiques, il influence pratiquement tout le monde physique. Il est responsable du moment magnétique de spin et donc de l'effet Zeeman anomal (parfois incorrectement appelé anormal) qui en découle.
Les particules sont classées selon la valeur de leur nombre quantique de spin (aussi appelé communément le spin) : les bosons, qui ont un spin entier (0, 1, 2…), et les fermions, pour lesquels le spin est demi-entier (1/2, 3/2, 5/2…). Fermions et bosons se comportent différemment dans des systèmes comprenant plusieurs particules identiques ; le fait que l'électron soit un fermion est la cause du principe d'exclusion de Pauli ainsi que des irrégularités du tableau périodique des éléments. L'interaction spin-orbite conduit à la structure fine du spectre atomique. Le spin de l'électron joue un rôle important dans le magnétisme. La manipulation des courants de spins dans des nano-circuits conduit à un nouveau champ de recherche : la spintronique. La manipulation des spins nucléaires par des champs radiofréquences conduit au phénomène de résonance magnétique nucléaire utilisé dans la spectroscopie RMN et l'imagerie médicale (IRM).
Parler de spin du photon (ou de toute autre particule de masse nulle) est un abus de langage : le spin, au sens strict, est défini comme le moment cinétique intrinsèque dans un référentiel de repos, qui n'a pas de sens pour une particule de masse nulle. La seule observable intrinsèque bien définie est l'hélicité, communément appelée polarisation.
Historique La genèse du concept de spin, aux alentours des années 1920, fut l'une des plus difficiles de l'histoire de la physique quantique.. L'effet Zeeman anomal, la structure hyperfine des raies spectrales observées, ou encore l'expérience de Stern et Gerlach (1922) posèrent à cette époque de grosses difficultés d'interprétation.
La notion théorique de spin a été introduite par Pauli en . pour le noyau et pas pour l'électron, afin d'expliquer un résultat expérimental qui restait incompréhensible dans le cadre naissant de la mécanique quantique non relativiste : l'effet Zeeman anomal. L'approche développée par Pauli consistait à introduire de façon ad hoc le spin.
La découverte, en ., du concept de spin de l'électron (au sens d'un moment cinétique intrinsèque d'une particule élémentaire) par Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, fut révolutionnaire. Immédiatement après la publication, un problème de facteur 2 dans la structure fine du spectre de l'hydrogène, identifié par Heisenberg, fut résolu par les deux physiciens et publié en ..
Le spin a d'abord été interprété comme un degré de liberté supplémentaire, s'ajoutant aux trois degrés de liberté de translation de l'électron : son moment cinétique intrinsèque (ou « propre »). En d'autres termes, l'électron « ponctuel » était vu comme tournant sur lui-même — d'où le nom de « » (de l'anglais « » : faire tourner). Mais il est vite apparu que cette « rotation » devait être considérée comme purement quantique : elle n'a pas d'équivalent en mécanique classique. La représentation du spin en termes de simple rotation a donc été abandonnée. Wolfgang Pauli avait déjà noté en 1924 que, compte tenu des dimensions estimées de l'électron, une rotation de l'électron nécessiterait une vitesse tangentielle de rotation à son équateur qui serait supérieure à la vitesse de la lumière., vitesse par principe infranchissable selon la théorie de la relativité restreinte.
En 1927, Wolfgang Pauli proposa la modélisation du spin en termes de matrice, ce qui correspond à une écriture en termes d'opérateurs sur la fonction d'onde intervenant dans l'équation de Schrödinger : l'équation de Pauli. En 1928, à partir de l'équation de Klein-Gordon, Paul Dirac démontra qu'une particule ayant un spin non nul vérifie une équation relativiste, appelée aujourd'hui équation de Dirac.
Enfin, c'est en théorie quantique des champs que le spin montre son caractère le plus fondamental. L'analyse du groupe de Poincaré effectuée par Wigner en 1939 montra en effet qu'une particule est associée à un champ quantique, opérateur qui se transforme comme une représentation irréductible du groupe de Poincaré. Ces représentations irréductibles se classent par deux nombres réels positifs : la masse et le spin.
Le spin du photon a été mis en évidence expérimentalement par Râman et Bhagavantam en 1931.. Cette expérience montre que les photons transfèrent un moment cinétique et donc que le photon transporte un moment cinétique intrinsèque. Aujourd’hui, on sait que le photon n’a pas de spin au sens classique (pas de référentiel de repos), et que c'est son hélicité qui transporte ce moment cinétique intrinsèque.
Le moment cinétique de spin Le spin est le moment cinétique intrinsèque des particules quantiques. Il est donc soumis aux mêmes lois générales qui régissent tout autre moment cinétique quantique, tel que, par exemple, le moment cinétique orbital..
Le spin est donc un opérateur vectoriel hermitien comportant trois composantes, notées usuellement et par référence aux trois axes de coordonnées cartésiennes utilisables dans l'espace physique. Ces composantes sont des observables vérifiant les relations de commutations caractéristiques d'un moment cinétique. :
où est le symbole de Levi-Civita et .
Ces relations de commutations sont analogues à celles découvertes en par Born, Heisenberg et Jordan pour les composantes du moment cinétique orbital. Ces relations de commutations impliquent que le principe d'incertitude s'applique aux mesures du spin faites dans les différentes directions de l'espace : on peut en effet mesurer très exactement la norme du vecteur et une projection sur un axe de coordonnées, mais les deux autres projections sur les deux autres axes orthogonaux ne sont plus alors mesurables précisément.
Par analogie avec les résultats obtenus pour le moment cinétique orbital (ou plus généralement pour un moment cinétique quantique), il existe pour l'opérateur spin une base de vecteurs propres notés , où est entier ou demi-entier, et est un entier ou demi-entier prenant l'une des valeurs , tels que :
.
Le nombre est un nombre quantique, qui est aussi appelé le spin (de manière impropre toutefois).
Les valeurs propres des opérateurs et représentent l'ensemble des mesures possibles pour les deux observables, c'est-à-dire respectivement le carré de la norme, et la projection sur un axe arbitraire dans l'espace.
Spin des particules élémentaires et composites Toutes les particules connues ou d'existence fortement suspectée ont un nombre quantique de spin compris entre 0 et 2, en particulier les particules élémentaires : spin 0 : le boson de Higgs ; spin 1/2 : l'électron, le positron, les neutrinos, les quarks ; spin 1 : le photon, le gluon (vecteur de l'interaction forte), les bosons W et Z (vecteurs de l'interaction faible) ; spin 2 : le graviton, particule hypothétique, qui serait vecteur de la gravitation. Il n'existe pas de particule élémentaire connue de spin 3/2, mais la théorie de la supersymétrie en prédit une, le gravitino.
Le spin (à l'état fondamental) des particules composées de plusieurs particules élémentaires, comme le proton, le neutron, tout noyau atomique ou encore tout atome, est constitué des spins des particules élémentaires qui les composent, auxquels s'ajoute le moment cinétique orbital de ces différentes particules élémentaires. : spin 0 : noyaux atomiques tels que 12C, 16O, 28Si… et de manière générale les noyaux composés d'un nombre pair de protons et de neutrons ; spin 1/2 : le proton, le neutron et certains noyaux atomiques, par exemple : 13C, 29Si ; spin > 1/2 : les noyaux de 75 % des isotopes stables, par exemple 14N spin 1, 35Cl spin 3/2, 209Bi spin 9/2.
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)...
Comme le montre le théorème spin-statistique, la valeur entière ou demi-entière du spin détermine une propriété cruciale de la particule : si son spin est entier, elle suit la statistique de Bose-Einstein, et c'est un boson ; si son spin est demi-entier, en raison du principe d'exclusion de Pauli, elle suit la statistique de Fermi-Dirac, et c'est un fermion. Aux hautes températures, ces statistiques tendent toutes les deux vers la statistique de Maxwell-Boltzmann. Aux basses températures, la différence explique que seuls les bosons puissent former un condensat de Bose-Einstein.
Spin 1/2 - matrices de Pauli
Pour une particule de nombre quantique de spin comme l'électron, le proton ou le neutron, donc : il existe seulement deux états de spin distincts, caractérisés par .
On note souvent les deux états propres correspondants : et , ou encore : et .
Pauli a introduit trois matrices 2 × 2., notées telles que l'opérateur de spin s'écrive : .
Ces trois matrices de Pauli s'écrivent explicitement : . Elles satisfont les relations de commutation : . Il a été remarqué qu'il s'agit là des relations entre quaternions découvertes par William Rowan Hamilton, ce qui donne une représentation plus compacte des opérateurs de spin.
Les nombres quantiques de spin sont définis aussi pour les systèmes de spins couplés, tels que les atomes de plus qu'un électron. Les symboles majuscules sont employés ː pour le spin électronique total, et ou pour la composante sur l'axe . Une paire d'électrons dans un état singulet de spin possède la valeur = 0, tandis qu'une paire dans un état triplet a = 1, avec = −1, 0, ou +1. Les nombres quantiques de spin nucléaire sont écrits pour le spin, et ou pour la composante sur l'axe-.
Orientation du spin Composantes du spin et multiplicité de spin En mécanique classique, le moment angulaire d'une particule possède non seulement une magnitude (vitesse de rotation de la particule), mais également une direction (direction de l'axe de rotation de la particule).
En mécanique quantique, le moment angulaire de spin (spin) contient également ces informations, mais dans une forme plus subtile. La mécanique quantique montre en effet, par l'intermédiaire des équations (1) et (2) ci-dessus (voir #Le moment cinétique de spin), que si l'état du moment angulaire de spin est l'un des états propres de , la composante du spin mesurée selon une direction quelconque, c'est-à-dire sa projection sur un axe quelconque (par exemple l'axe z), ne peut prendre que les valeurs quantifiées suivantes :