Elektronenspins

Elektronenspins sind eine intrinsische Form des Drehimpulses des Elektrons. Im Unterschied zu einem klassischen Rotationsspin handelt es sich um eine rein quantenmechanische Eigenschaft. Die Spinquantenzahl des Elektrons beträgt s = 1/2, und die Projektion des Spins entlang einer gewählten Achse kann zwei Werte annehmen: m_s = +1/2 oder m_s = -1/2.

Dem Spin ist ein magnetisches Moment zugeordnet. Für das Elektron gilt der g-Faktor g ≈ 2,0023; das magnetische Moment μ_s lässt sich mit μ_s = -g μ_B S/ħ ausdrücken, was entlang der z-Achse zu μ_z = -g μ_B m_s führt. μ_B ist das Bohrsche Magneton.

Zustände des Elektronenspins werden durch zwei Basiszustände beschrieben, oft notiert als |↑> und |↓> oder durch einen zweikomponenten-Spinör [α, β]^T. Die Spinoperatoren werden durch die Pauli-Matrizen beschrieben, und Bloch-Sphäre bietet eine geometrische Darstellung von Spinrotationen.

Spin interagiert mit anderen Größen durch Kopplungen wie der Spin-Bahn-Kopplung und dem Zeeman-Effekt in äußeren Feldern. Experimente wie Stern-Gerlach demonstrieren die quantisierte Raumorientierung von Spinzuständen. Techniken zur Anregung und Messung umfassen Elektronenspinresonanz (ESR oder EPR) mittels Mikrowellenfeldern.

In der Materie führt der Spin von Elektronen zu magnetischen Eigenschaften wie Paramagnetismus, Ferromagnetismus oder Antiferromagnetismus. Die moderne Spintronik nutzt die Kontrolle von Spinzuständen zur Informationsverarbeitung und Datenspeicherung, während in der Quanteninformation der Spin eines Elektrons als ein Qubit dient. Das Pauli-Ausschlussprinzip zwingt zwei Elektronen in einem Atomorbital zu entgegengesetztem Spin.