El espín (del inglés spin 'giro, girar') se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. El espín fue introducido en 1925 por Ralph Kronig e, independientemente, por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit.
En 1920, los químicos analíticos llegaron a la conclusión que para describir a los electrones en el átomo, además de los números cuánticos, se requería de un cuarto concepto, el llamado espín del electrón. Éste, al girar sobre su propio eje genera un campo magnético, el denominado espín.
Los dos físicos, Goudsmit y Uhlenbeck, descubrieron que, si bien la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectros atómicos, añadiendo un número cuántico adicional, el espín, se lograba 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 y de la acción, intrínseco de toda partícula. Todo esto 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.
Propiedades del espín :
En las teorías cuánticas no relativistas el espín debe introducirse de manera artificial, mientras que en las relativistas aparece de manera natural.
Propiedades del espín :
- En primer lugar el valor de espín está cuantizado, lo que significa que no pueden encontrarse partículas con cualquier valor del espín, sino que el espín de una partícula siempre es un múltiplo entero de (donde es la constante de Planck dividida entre 2π, también llamada constante de Dirac).
- En segundo lugar, cuando se realiza una medición del espín en diferentes direcciones, sólo existen dos posibles valores iguales y de signo contrario, que son sus posibles proyecciones sobre una dirección predeterminada. Por ejemplo, la proyección del momento angular de espín de un electrón, si se mide en una dirección particular dada por un campo magnético externo, puede resultar únicamente en los valores o bien .
- En tercer lugar, 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, en unidades de , siendo . Esto contrasta con el caso clásico donde el momento angular de un cuerpo alrededor de su eje puede asumir diferentes valores según la rotación sea más rápida o menos.
Espín y momento magnético
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.
Aplicaciones a las nuevas tecnologías o a tecnologías futuras
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 spin. 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.
Espintrónica y computación cuántica
Al uso, presente y futuro, de tecnología que aprovecha propiedades específicas de los spines 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 cuánticas, en los que el espín de un sistema aislado pueda servir como qubit o bit cuántico.
Número cuántico de momento angular
• Un grupo de orbitales con el mismo valor
de n se le denomina una “capa”
• Los que tienen el mismo número de n y l
se les denomina “subcapas”
• Ejemplo:
n=2, tiene dos subcapas: l=0 y l=1. Estas
subcapas se denominan 2s y 2p. Entonces 2
denota el valor de n y s y p el valor de l.
Número Cuántico Magnético
• El número cuántico magnético (ml)
describe la orientación de los orbitales en
el espacio.
• Este número cuántico depende del
número cuántico de momento angular l ;
Para un valor de l, hay 2 l +1 valores de ml
- l, (-l +1)…0…(+l-1), + l
Número Cuántico Magnético
• El número cuántico (ml) denota el número
de orbitales en una sub-capa con un valor
de l en particular.
• Ejemplo:
n=2, l = 1, esto significa que tenemos un orbital
2p y que esta compuesto de tres orbitales
dados por ml igual a -1, 0 y +1.
Número Cuántico de Espín Electrónico
• Se ha encontrado que algunas líneas en
el espectro de emisión de algunos átomos
se desdoblan al aplicar un campo
magnético.
• La única forma de explicar ese suceso es
que los electrones se comportan como
pequeños magnetos.
• Hay dos conformaciones posibles en este
caso.
Número Cuántico de Espín Electrónico
N
S
S
N
El número cuántico de
espín magnético se
representa por ms
Los valores de ms son
-½ y +½
Número Cuántico de Espín
Electrónico
El número cuántico de
espín magnético se
representa por ms
Los valores de ms son
-½ y +½
Número Cuántico de Espín Electrónico
Número Cuántico de Espín Electrónico
Relación entre número cuántico y orbital
n l ml Number of
orbitals
Atomic Orbital Designation
1 0 0 1 1s
2 0 0 1 2s
1 -1, 0 1 3 2px, 2py, 2pz
3 0 0 1 3s
1 -1, 0, 1 3 3px, 3py, 3pz
2 -2, -1, 0, 1, 2 5 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2, 3d
El efecto túnel de magnetización
Un hito histórico para la ciencia del siglo XX
Noviembre 2008
El efecto túnel de la magnetización, una insólita propiedad del mundo de la mecánica cuántica descubierta por el Grupo de Magnetismo del Departamento de Física Fundamental de la UB, liderado por el catedrático Javier Tejada (Castejón, 1948), en colaboración con grupos de la City University de Nueva York y de la empresa Xerox, ha sido reconocido como uno de los hitos científicos del siglo XX en el estudio del espín, según el monográfico Milestones in Spin 2 editado por la prestigiosa revista científica Nature
Ésta es la primera vez que un físico español es reconocido en nuestro país como descubridor de un nuevo fenómeno físico en la historia de la física: el efecto túnel mesoscópico de la magnetización en imanes moleculares (Physical Review Letters, 1996). Este avance científico, recogido en los libros de texto sobre magnetismo, explica como los polos magnéticos de pequeños imanes formados por millones de átomos, a muy bajas temperaturas, pueden cambiar de orientación por el efecto túnel y sin gasto energético. Ahora, la revista Nature califica este descubrimiento de hito histórico en la ciencia del espín (propiedad de las partículas elementales asimilable a una rotación sobre su eje y relacionada con su campo magnético).
Milestones in Spin destaca también las contribuciones científicas de primeras figuras del mundo de la física, entre ellos los premios Nobel de Física Albert Einstein (1921); Paul A. M. Dirac (1933); Otto Stern (1943); Felix Bloch y E. M. Purcell (1952), Douglas Osheroff, Robert Richardson y David Lee (1996); Frank Wilczek, David Gross y David Politzer (2004), y Albert Fert i Peter Grünberg (2007).
El principio de incertidumbre rige el mundo de la física cuántica: no es posible conocer la posición y el momento de un objeto al mismo tiempo. Ésta es una propiedad de los objetos cuánticos y no depende de la capacidad para hacer una medida exacta. Esta incertidumbre, a escala macroscópica, no se puede detectar experimentalmente, y eso ha generado un intenso debate científico en las fronteras de la física cuántica y en el mundo mesoscópica. Para los investigadores, el efecto túnel es una consecuencia insólita de la mecánica cuántica, y los imanes de tamaño mesoscópico son los mejores sistemas para detectar fenómenos cuánticos de efecto túnel.
En concreto, el monográfico Milestones in Spin destaca un total de 23 hitos históricos en el estudio del espín, desde el descubrimiento del primer fenómeno físico en este campo (efecto Zeeman, 1896) hasta la actualidad. El hito 22 (4), bajo el título «Mesoscopic tunneling of magnetization», se centra en el efecto túnel cuántico en polos magnéticos, un fenómeno descubierto y descrito por Javier Tejada, J. R. Friedman, M. Sarachik i Ron Ziolo en el artículo «Macroscopic measurement of resonando magnetization tunneling in high-spin molecules» (Physical Review Letters, 1996). Con este trabajo, los científicos determinaron que la reorientación de los polos magnéticos de imanes de tamaño mesoscópico tiene lugar a través del efecto del túnel cuántico, una curiosa propiedad del mundo cuántico por la cual una partícula elemental puede desaparecer y reaparecer fuera del espacio donde está confinada.
De acuerdo con las teorías del físico Eudgene Chudnovsky sobre el efecto túnel, Tejada y colaboradores trabajan en magnetismo de los imanes mesoscópicos, impulsando el descubrimiento de nuevas leyes fundamentales de los fenómenos cuánticos en el magnetismo: la primera evidencia experimental del efecto túnel de la magnetización (1992), el efecto túnel resonante de espín (1996), la coherencia cuántica de espín (1999) y la deflagración magnética cuántica (2005). Science, Nature y Physics Today son algunas de las revistas de proyección internacional que en 1996 se hicieron resonancia del nuevo efecto de la física descubierto por el equipo de investigadores de la UB y de los Estados Unidos.
En el ámbito de la física del espín, hay que subrayar que el artículo «Field tuning of thermally activated magnetic quantum tunnelling in Mn12-Ac molecules», la segunda evidencia del efecto túnel mediante una técnica independiente publicada en la revista Europhysics Letters (1996), está firmado por los investigadores Javier Tejada, Joan Manel Hernàndez y X. X. Zhang del Departamento de Física Fundamental de la UB, con F. Luis i J. Bartolomé del Instituto de Ciencias de Materiales de Aragón, y Ron Ziolo de Xerox Corporation de Nueva York.
¿Qué aplicaciones tiene el efecto túnel? Ordenadores cuánticos, transformadores eléctricos, plásticos y refrigeradores magnéticos, brújulas mesoscópicas de alta sensibilidad y catalizadores magnéticos son algunas de las aplicaciones tecnológicas que podría tener el efecto túnel en un futuro. Las expectativas abiertas por el efecto túnel resonante de espín en el campo de la física aplicada y la básica no acaban aquí, sino que abren nuevas fronteras para estudiar nuevos fenómenos cuánticos macroscópicos y verificar teorías.
Premio Príncipe de Viana de la Cultura 2006 y doctor honoris causa por la City University de Nueva York en 1996, Javier Tejada es un prestigioso experto en el campo del magnetismo y en el estudio de los efectos cuánticos en magnetismo y superconductividad utilizando microondas y ondas acústicas como alta frecuencia. Catedrático del Departamento de Física Fundamental, dirige el Laboratorio UBX (UB-Xerox) y el Grupo de Magnetismo de la UB, y es miembro de la Real Sociedad Española de Física, la Sociedad Catalana de Física, la New York Academy of Sciences y el American Physical Society.Javier Tejada es autor de más de 280 trabajos científicos en revistas de prestigio como Science, Physical Review Letters, Physical ReviewB, Europhysics Letters, Applied Physics Letters o Nature Materiales. Tejada, que dispone de quince patentes de ámbito internacional en colaboración con empresas e instituciones, ha sido reconocido con el Fellow de la American Physical Society (2000), la Medalla Narcís Monturiol de la Generalitat de Catalunya (1994), el International Award of Xerox Foundation (1998) y la distinción de la Generalitat de Catalunya para la Promoción de la Investigación Universitaria (2001), entre otras distinciones.
Ésta es la primera vez que un físico español es reconocido en nuestro país como descubridor de un nuevo fenómeno físico en la historia de la física: el efecto túnel mesoscópico de la magnetización en imanes moleculares (Physical Review Letters, 1996). Este avance científico, recogido en los libros de texto sobre magnetismo, explica como los polos magnéticos de pequeños imanes formados por millones de átomos, a muy bajas temperaturas, pueden cambiar de orientación por el efecto túnel y sin gasto energético. Ahora, la revista Nature califica este descubrimiento de hito histórico en la ciencia del espín (propiedad de las partículas elementales asimilable a una rotación sobre su eje y relacionada con su campo magnético).
Milestones in Spin destaca también las contribuciones científicas de primeras figuras del mundo de la física, entre ellos los premios Nobel de Física Albert Einstein (1921); Paul A. M. Dirac (1933); Otto Stern (1943); Felix Bloch y E. M. Purcell (1952), Douglas Osheroff, Robert Richardson y David Lee (1996); Frank Wilczek, David Gross y David Politzer (2004), y Albert Fert i Peter Grünberg (2007).
El principio de incertidumbre rige el mundo de la física cuántica: no es posible conocer la posición y el momento de un objeto al mismo tiempo. Ésta es una propiedad de los objetos cuánticos y no depende de la capacidad para hacer una medida exacta. Esta incertidumbre, a escala macroscópica, no se puede detectar experimentalmente, y eso ha generado un intenso debate científico en las fronteras de la física cuántica y en el mundo mesoscópica. Para los investigadores, el efecto túnel es una consecuencia insólita de la mecánica cuántica, y los imanes de tamaño mesoscópico son los mejores sistemas para detectar fenómenos cuánticos de efecto túnel.
En concreto, el monográfico Milestones in Spin destaca un total de 23 hitos históricos en el estudio del espín, desde el descubrimiento del primer fenómeno físico en este campo (efecto Zeeman, 1896) hasta la actualidad. El hito 22 (4), bajo el título «Mesoscopic tunneling of magnetization», se centra en el efecto túnel cuántico en polos magnéticos, un fenómeno descubierto y descrito por Javier Tejada, J. R. Friedman, M. Sarachik i Ron Ziolo en el artículo «Macroscopic measurement of resonando magnetization tunneling in high-spin molecules» (Physical Review Letters, 1996). Con este trabajo, los científicos determinaron que la reorientación de los polos magnéticos de imanes de tamaño mesoscópico tiene lugar a través del efecto del túnel cuántico, una curiosa propiedad del mundo cuántico por la cual una partícula elemental puede desaparecer y reaparecer fuera del espacio donde está confinada.
De acuerdo con las teorías del físico Eudgene Chudnovsky sobre el efecto túnel, Tejada y colaboradores trabajan en magnetismo de los imanes mesoscópicos, impulsando el descubrimiento de nuevas leyes fundamentales de los fenómenos cuánticos en el magnetismo: la primera evidencia experimental del efecto túnel de la magnetización (1992), el efecto túnel resonante de espín (1996), la coherencia cuántica de espín (1999) y la deflagración magnética cuántica (2005). Science, Nature y Physics Today son algunas de las revistas de proyección internacional que en 1996 se hicieron resonancia del nuevo efecto de la física descubierto por el equipo de investigadores de la UB y de los Estados Unidos.
En el ámbito de la física del espín, hay que subrayar que el artículo «Field tuning of thermally activated magnetic quantum tunnelling in Mn12-Ac molecules», la segunda evidencia del efecto túnel mediante una técnica independiente publicada en la revista Europhysics Letters (1996), está firmado por los investigadores Javier Tejada, Joan Manel Hernàndez y X. X. Zhang del Departamento de Física Fundamental de la UB, con F. Luis i J. Bartolomé del Instituto de Ciencias de Materiales de Aragón, y Ron Ziolo de Xerox Corporation de Nueva York.
¿Qué aplicaciones tiene el efecto túnel? Ordenadores cuánticos, transformadores eléctricos, plásticos y refrigeradores magnéticos, brújulas mesoscópicas de alta sensibilidad y catalizadores magnéticos son algunas de las aplicaciones tecnológicas que podría tener el efecto túnel en un futuro. Las expectativas abiertas por el efecto túnel resonante de espín en el campo de la física aplicada y la básica no acaban aquí, sino que abren nuevas fronteras para estudiar nuevos fenómenos cuánticos macroscópicos y verificar teorías.
Premio Príncipe de Viana de la Cultura 2006 y doctor honoris causa por la City University de Nueva York en 1996, Javier Tejada es un prestigioso experto en el campo del magnetismo y en el estudio de los efectos cuánticos en magnetismo y superconductividad utilizando microondas y ondas acústicas como alta frecuencia. Catedrático del Departamento de Física Fundamental, dirige el Laboratorio UBX (UB-Xerox) y el Grupo de Magnetismo de la UB, y es miembro de la Real Sociedad Española de Física, la Sociedad Catalana de Física, la New York Academy of Sciences y el American Physical Society.Javier Tejada es autor de más de 280 trabajos científicos en revistas de prestigio como Science, Physical Review Letters, Physical ReviewB, Europhysics Letters, Applied Physics Letters o Nature Materiales. Tejada, que dispone de quince patentes de ámbito internacional en colaboración con empresas e instituciones, ha sido reconocido con el Fellow de la American Physical Society (2000), la Medalla Narcís Monturiol de la Generalitat de Catalunya (1994), el International Award of Xerox Foundation (1998) y la distinción de la Generalitat de Catalunya para la Promoción de la Investigación Universitaria (2001), entre otras distinciones.
por Francisco Jóse Olivares Díaz
