moment magnétique de spin

Le moment magnétique de spin est le champ magnétique généré par le moment angulaire intrinsèque d'un électron, indépendamment de son mouvement orbital autour d'un noyau. Contrairement au moment magnétique orbital, qui découle de la trajectoire de l'électron dans l'espace, le moment magnétique de spin provient de la rotation de l'électron autour de son propre axe. Cette propriété intrinsèque existe que l'électron soit en orbite ou immobile, ce qui la rend fondamentale pour le magnétisme des matériaux.

Chaque électron porte un moment magnétique de spin dont la magnitude est proportionnelle au magnéton de Bohr, soit environ 9,28 × 10^-24 joules par tesla. Le spin de l'électron peut être aligné soit parallèlement, soit antiparallèlement à un champ magnétique appliqué, produisant deux états énergétiques distincts. Dans de nombreux atomes, les électrons s'apparient avec des spins opposés, annulant leurs moments magnétiques. Lorsque des électrons non appariés existent, leurs moments magnétiques de spin s'additionnent de manière constructive, générant un magnétisme observable dans le matériau en vrac.

Rôle dans le magnétisme des matériaux

Les matériaux ferromagnétiques comme le fer, le cobalt et le nickel doivent leur fort magnétisme principalement aux électrons non appariés des orbitales d, dont les spins s'alignent dans la même direction. Les matériaux paramagnétiques ont moins d'électrons non appariés, de sorte que leurs spins s'alignent faiblement en réponse à un champ externe. Les matériaux diamagnétiques ont tous leurs électrons appariés, de sorte que les moments magnétiques de spin s'annulent entièrement ; un champ externe induit une faible réponse opposée. La différence entre les matériaux magnétiques se résume souvent au nombre de spins non appariés présents et à leur capacité à s'aligner.

Le moment magnétique de spin apparaît explicitement dans la conception des électroaimants, des aimants permanents, des supports d'enregistrement magnétique et des capteurs magnétorésistifs. Dans les noyaux de transformateurs et les tôles de moteurs, la structure granulaire et la pureté du matériau affectent l'efficacité de l'alignement des moments de spin, influençant ainsi l'efficacité. Les dispositifs spintroniques à semi-conducteurs exploitent délibérément le moment magnétique de spin en manipulant le spin des électrons plutôt que la charge, permettant de nouveaux mécanismes de commutation et de détection avec une consommation d'énergie inférieure à celle de l'électronique conventionnelle.

Le terme « spin » est un raccourci historique ; l'électron n'est pas littéralement une sphère chargée en rotation, une image qui crée des contradictions classiques. Au lieu de cela, le spin est une propriété de la mécanique quantique sans analogue macroscopique. Néanmoins, le moment magnétique qu'il produit est réel et mesurable, rendant le moment magnétique de spin indispensable pour comprendre pourquoi les matériaux sont magnétiques.