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La quantification du spin est donc un aspect profondément contre-intuitif mais fondateur de la mécanique quantique, marquant une différence essentielle avec ce que l’on observe à l’échelle macroscopique. 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. 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. Si le mot « spin » évoque une rotation, il ne s’agit pas d’un mouvement autour d’un axe, tel qu’on l’entend dans la physique classique à l’échelle macroscopique. Le terme « spin » désigne l’une des notions fondamentales de la physique quantique.

Qu’est-ce que l’expérience de Stern et Gerlach et quelles conclusions en tirer ?

Dans cette technique, les spins des protons (ou de tout autre noyau atomique possédant un spin non nul) peuvent être préparés dans n’importe quel état donné. C’est exactement l’orientation de ce vecteur qui a été représentée précédemment sur la sphère de Riemann ou de Bloch. Ces deux types de protocoles de mesures donnent le même résultat, d’après le principe ergodique de Gibbs. Si cette valeur est projetée sur une sphère de Riemann, qui permet de représenter l’ensemble des nombres complexes, il est possible d’établir une correspondance entre un état de spin et une direction dans l’espace ordinaire. En mécanique quantique, le moment angulaire de spin (spin) contient également ces informations, mais dans une forme plus subtile.

(…) Cette condensation appartient à la classe des transitions de phase, parmi lesquelles on peut citer des exemples courants de transitions qui peuvent se produire à des températures ordinaires, comme la solidification d’un liquide, ou la condensation d’une vapeur. Le monde matière/lumière est bel et bien fondé sur des contradictions. Le spin a des conséquences fondamentales en physique quantique puisqu’il détermine le comportement des particules.

• Obtenir que les spins soient parallèles est contraire aux lois (pas de direction privilégiée de l’espace), à moins que les électrons ne se maintiennent éloignés les uns des autres.
• La quantification du spin est donc un aspect profondément contre-intuitif mais fondateur de la mécanique quantique, marquant une différence essentielle avec ce que l’on observe à l’échelle macroscopique.
• Tout se passe comme si la mécanique quantique exprimait les figures d’ordre d’un désordre microphysique.
• 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.
• 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.

Facteur de Landé

En fait, c’est tout le magnétisme classique qui s’avère faux et inexpliqué. L’expérience de Stern et Gerlach est l’une des grandes démonstrations de la validité de la physique quantique, qui en donne une parfaite explication, alors que la physique classique est incapable de l’interpréter. Les atomes effectuent dans le champ magnétique un mouvement de précession (rotation de Larmor) autour de la direction du champ. Pour cela, ils utilisaient un champ magnétique inhomogène dans la direction perpendiculaire à celle du jet des atomes, champ qui produisait une force agissant sur ces atomes.

Gerlach réalisèrent une expérience qui permettait, grâce à l’intervention d’un champ magnétique, de dissocier spatialement deux états quantiques des atomes d’argent, sous forme gazeuse, du fait d’une composante opposée de leur moment magnétique. Le faisceau de particules se sépare en deux faisceaux correspondant aux deux orientations du moment magnétique de spin dans le champ (expérience de Stern et Gerlach). C’est précisément ce que l’on observe lorsque l’on fait passer des électrons dans un champ magnétique inhomogène. De même, on peut définir un nombre magnétique quantique de spin m pour la projection du moment propre sur une droite arbitraire.

Quand il fut clair que la mécanique quantique pouvait fournir une force énorme d’orientation des spins, même si, apparemment, elle était de signe erroné. Ceci a pour effet qu’une paire d’électrons de spins parallèles, proches l’un de l’autre, possède beaucoup plus d’énergie qu’une paire d’électrons de spins opposés ; l’effet résultant est comparable à l’existence d’une force qui tenterait de renverser le spin. Nous savons que l’énergie d’orientation d’un dipôle magnétique dans un champ extérieur est l’opposé du produit vectoriel du champ et du moment magnétique, mais l’énergie des électrons tournant dépend aussi de l’alignement des spins voisins. (…) Le nombre entier https://spinbossfr.net/ m, nombre quantique magnétique provient de ce que le moment cinétique orbital (de l’atome) se manifeste par l’existence d’un petit aimant (…) si on effectue la mesure selon la direction du champ magnétique utilisé pour l’observation.

Signification physique du vecteur d’orientation du spin

Par contre, la particule élémentaire est conçue comme ponctuelle et on ne voit pas ce qui peut bien tourner. (…) Si on observe une valeur constante selon une direction de projection, elles sont au hasard selon une direction perpendiculaire. Tout se passe comme si la mécanique quantique exprimait les figures d’ordre d’un désordre microphysique. L’interprétation probabiliste de la mécanique quantique est imposée par des phénomènes microscopiques observables à caractère aléatoire.

Différences fondamentales entre fermions et bosons

Le photon, les bosons W± et Z0 vecteurs de l’interaction faible ont un spin 1. Uhlenbeck et Goudsmit sont parvenus à l’idée capitale de l’existence d’une rotation propre et d’un magnétisme propre pour l’électron. (…) Cependant, si l’on cherche maintenant à mesurer (…) dans un plan perpendiculaire au champ magnétique du dispositif expérimental (…) on obtient une succession de nombres au hasard. Cela a pour effet d’orienter les spins parallèlement au champ magnétique (…) Un ordre magnétique s’est établi parmi les spins.

Enfin, le moment cinétique intrinsèque (de spin) et le moment magnétique intrinsèque (de spin) sont tous deux confondus sous le terme de « spin ». 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. Comme d’autres observables quantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d’incertitude.

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Donc, s’il y a une région de l’espace entre les atomes où les électrons tendent à s’associer (comme dans une liaison chimique), et si nous voulons introduire un autre électron par-dessus un électron déjà là, la seule façon de le faire est que le spin du second soit orienté dans le sens opposé au spin du premier. Par exemple, s’ils sont au même point, la seule possibilité est d’avoir leurs spins opposés. L’électron a un spin un demi et transporte du coup un magnéton de Bohr de moment magnétique égal à un demi de la charge de l’électron fois h barre divisé par la masse de l’électron.