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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.
(…) 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.
Gerlach réalisèrent une expérience qui permettait, grâce à l’intervention d’un Spin Boss 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.
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.
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 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.
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. 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. L’organisation de la matière et la dynamique de l’Univers reposent sur l’existence de ces familles de particules définies par leur spin. Le graviton, hypothétique, serait lui aussi un boson, associé à l’interaction gravitationnelle. Ce nombre, associé à d’autres quantités, permet de prévoir les interactions, la statistique et même le comportement collectif 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.
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.
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.