30. Spin
V jedné písničce se zpívá: „Točí se točí, všechno kolem všeho, točí se točí, kolotoč v očích...“ Otáčivý pohyb je tím nejpřirozenějším pohybem, který známe. Ruské kolo na pouti, krasobruslař dělající piruetu, cédéčko v počítači, planety obíhající kolem Slunce, to je jen několik příkladů za všechny.
V mikrosvětě je to ale poněkud složitější. Představa, že elektron obíhá kolem atomového jádra jako planeta kolem Slunce je nepřijatelná. Pohybující se elektron totiž kolem sebe vytváří magnetické pole. A pokud by kroužil, bude se toto pole s časem měnit a elektron bude vyzařovat elektromagnetickou vlnu. Tím by ztrácel energii a za zlomek sekundy spadnul na jádro.
Chování elektronu v atomárním obalu popsala správně kvantová mechanika až kolem roku 1925. Elektron se v obalu nechová jako klasická obíhající kulička. Jeho obíhání je kvantováno, a proto se může vyskytovat v některých místech s vyšší pravděpodobností než v jiných. Bohužel je to vše, co o elektronu v obalu umíme říci. Dokážeme spočítat pravděpodobnost jeho výskytu v určitém místě. Můžeme si ho představit jako vlnění rozprostřené v obalu nebo jako kuličku, ale ani jedno neodpovídá skutečnosti. Naše představivost ve světě malých rozměrů zcela selhává, nemáme pro sledování objektů mikrosvěta vyvinuté smysly a navíc nám chybí jakákoli zkušenost, která by umožnila reálnější představu.
Buďme ale skromní. Přiznejme si, že lidská představivost a tzv. zdravý selský rozum pro objekty mikrosvěta neplatí. A klidně si dále znázorňujme elektron jako obíhající kuličku, jen musíme mít na paměti, že ta představa není úplně správná. Ale jak řekl jeden z významných kvantových fyziků Wolfgang Pauli, je lepší alespoň nějaká představa než vůbec žádná. Nakonec zase až tak špatná není. Existují totiž vysoce excitované atomy, říkáme jim Rydbergovy atomy, ve kterých pravděpodobnost výskytu elektronu v obalu má maximum v určité oblasti, a ta se pohybuje kolem jádra ne nepodobně pohybu planety kolem Slunce.
Vraťme se ale zpátky do roku 1925. Tehdy němečtí fyzikové Otto Stern a Walter Gerlach provedli zajímavý experiment. Atomy stříbra zahřívali v pícce. Odpařující se atomy nasměrovali do nehomogenního magnetického pole. Každý atom stříbra se chová jako malý magnet. Je to způsobeno jedním osamoceným elektronem, který se nachází v nejvnějšnější části atomárního obalu. Podle zákonů kvantové mechaniky bude na atomy stříbra působit magnetická síla, která buď nechá svazek letících atomů beze změny a nebo ho rozštěpí na tři části. Výsledek experimentu byl ale úplně jiný. Svazek se rozštěpil přesně na dvě části. Na stínítku byly pozorovány dvě stříbrné skvrny. Experiment nasvědčoval tomu, jako by se točivost elektronu skládala ze dvou částí. První z nich nazýváme orbitální moment a souvisí s pohybem elektronu v atomárním obalu. Tomu odpovídá naše nesprávná představa kuličky obíhající kolem jádra. Druhá část točivosti se k té první přidávala jaksi automaticky, jako by šlo o nějakou vnitřní vlastnost elektronu, kterou nemůžeme nikdy zničit. Dnes této vlastnosti říkáme spin, je to anglické slovo, které znamená otáčet se. Můžeme si představit, jako by obíhající elektron navíc ještě rotoval kolem své osy. Ve skutečnosti tomu tak není, ale co na tom záleží. Spin elektronu může nabývat jen dvou hodnot, což se v experimentu projevilo rozštěpením svazku atomů na dvě části. V naší nepřesné představě by tomu odpovídal elektron rotující na jednu nebo na druhou stranu.
A tak tu máme od roku 1925 nový obraz starého známého elektronu. Jeho moment hybnosti neboli točivost se skládá ze dvou částí, jedna souvisí s oběhem kolem jádra a druhá je vnitřní vlastností, kterou si poněkud naivně představujeme jako otáčení kolem osy.
Elektrony patří do skupiny částic, které se nemají rády. Splňují tzv. Pauliho vylučovací princip, který říká, že dva elektrony nemohou nikdy být ve stejném kvantovém stavu. Na dané energetické hladině mohou být maximálně dva elektrony. Budou se lišit právě spinem, který může nabývat dvou různých hodnot. Co když má ale atom ve vnější části obalu jediný elektron a chybí mu druhý partner s opačným spinem? Klidně si ho vypůjčí od nějakého sousedního atomu a vznikne molekula. Je to vázaný stav dvou atomů, které mají společnou dvojici elektronů s opačným spinem. Náš nový známý spin tedy umožňuje chemickou vazbu atomů.
V současnosti se velmi bouřlivě začala vyvíjet spintronika. Jde o zkratku ze sousloví spinová elektronika. Klasická elektronika využívá při manipulaci s elektrony jejich elektrický náboj. Spinová elektronika dokáže s elektrony manipulovat nejenom za pomoci jejich náboje, ale také prostřednictvím jejich spinu. Spintronika je elektronikou budoucnosti. Když uvážíme, jak bouřlivě se rozvíjející elektronika změnila život několika posledních generací, jen těžko dokážeme předpovědět, jak rodící se spintronika změní život generací nadcházejících.