Kuantum Mekaniği

Spin Nedir?

Yazar

7 Ağustos 2023

1130

Gezegenimizin oluşturduğu manyetik alan, yaşamın gelişebilmesini ve devam edebilmesini sağlayan önemli etkenlerden biridir. Bu manyetik alan, bizi güneşten gelen yüklü parçacıklardan, güneş rüzgarlarından ve kozmik radyasyondan korumaktadır. Örneğin, Kuzey Işıkları olarak bilinen doğa olayı, güneş rüzgarlarının bu manyetik kalkanda geçici yarıklar açarak yeryüzüne enerji salınımı yapması sonucu meydana gelir [1]. Venüs ve Mars ise dünyanınkinden daha zayıf bir manyetik alana sahiptirler [2]. Yaklaşık 5 milyar yaşındaki Mars’ın manyetik alanını 4 milyar yıl önce kaybettiği ve sonrasında güneş rüzgarlarının atmosferinin büyük çoğunluğunu uzay boşluğuna sürüklediği düşünülmektedir [3].

Geodynamo teorisine göre, bir gezegenin manyetik alanının oluşması için sıvı ve elektrik iletkenliği olan bir çekirdeğe, ısı yayılımını sağlayan bir enerji kaynağına ve kendi etrafında dönme hareketine sahip olması gerekmektedir [2]. Bu da demek oluyor ki dünyamızda yaşamın oluşabilmesi için gerekli koşullardan biri, gezegenimizin kendi ekseni etrafında dönme hareketini gerçekleştirmesidir.

Fig. 1. Dünyanın manyetik alanı, sanatsal gösterim. [4]

Spin veya dönü, kendi etrafında dönmeyi ifade eder. Kuantum mekaniğinde, spin en temel kavramlardan biridir. Örneğin, elektronların atom içindeki durumunu açıklayan Pauli dışlama ilkesinde yer alan 4 temel kuantum sayısından biri, spin kuantum sayısıdır. Aynı şekilde, atomların enerji seviyelerini belirlemede parçacıkların spin etkisi de büyük bir öneme sahiptir. Yüksek enerjili parçacık demetlerinden düşük sıcaklıklı sıvılara kadar neredeyse atomaltı parçacıkların katıldığı tüm etkileşimlerde spin, önemli bir rol oynar [5].

Yalnızca elektronlar değil, tüm temel parçacıklar belirli bir spin kuantum sayısına sahiptir. Günümüzde yaygın olarak kabul gören görüşe göre, spin içsel açısal momentum olarak tanımlanmaktadır ve biriminin klasik fizikteki açısal momentum ile aynı olduğu kabul edilir. Spin, içsel bir özellik olarak tanımlanmıştır, çünkü bir parçacığın kendi etrafında dönmemesine rağmen spin açısal momentumuna sahip olabileceği postüle edilmiştir. Bu nedenle, spin (yani parçacıkların içsel açısal momentumu), maddenin kütle ve elektriksel yük gibi sahip olduğu özellikler gibi kabul edilmeli ve bu özelliğin nasıl meydana geldiğine dair ayrıntılı bir açıklama yapma gerekliliği olmadan kabul edilmelidir.

Fig. 2. Zeeman Etkisi: Grafiğin solunda elektronun sahip olabileceği tek bir enerji seviyesi varken, sabit manyetik alan varlığında iki farklı enerji seviyesine sahip oluyor. [6]

1922 yılında Stern-Gerlach deneyi ile elektronların minik mıknatıslar gibi davrandığı keşfedildi. Ancak bu mıknatıslar yalnızca uygulanan manyetik alanın yönünde hareket edebilir ve sadece iki farklı değer alabilirler. Ayrıca yine 1920’li yıllarda gerçekleştirilen hidrojenin spektral çizgilerini inceleyen deneyler de elektronların spin açısal momentumuna ve manyetik momentine sahip olması gerektiğini ortaya koymuştur.

Elektronların neden bir tür mıknatıs gibi davrandığını anlamak için bilim insanları, klasik fizik kullanarak bir benzetme geliştirdi. Elektron, negatif yüklü bir küre olarak modellendi ve bu kürenin kendi etrafında belirli bir hızla döndüğü varsayıldı. Bu yaklaşıma göre, elektronun da tıpkı bir mıknatıs gibi bir manyetik alana sahip olabileceği ve minik mıknatıslar gibi davranabileceği düşünüldü [7]. Fakat bu modellemenin çok önemli eksiklikleri bulunmaktadır. Deneylerde gözlemlendiği kadar yüksek bir manyetik moment elde etmek için, bu kürenin yüzeyindeki dönüş hızının ışık hızından daha hızlı olması gerekmektedir. Bu durum, temel fizik yasalarıyla çelişmektedir. Ayrıca günümüz parçacık fiziğinde genel olarak kabul gören Standart Modelde elektron ve diğer temel parçacıklar (kuark, foton, diğer fermiyonlar), nokta parçacığı olarak tanımlanmaktadır. Bu nedenle elektronun bir hacminin olmadığı düşünülmektedir.

Fig. 3. Stern Gerlach Deneyi: Gümüş atomlarının en dışındaki elektronunun manyetik alanla etkileşimi sebebiyle rastgele ve sürekli bir dağılım göstermesi bekleniyordu ancak yalnızca yukarıda ve aşağıda birer tane olmak üzere iki çizgi oluşturdular. Bu durum da elektron spininin yalnızca iki değere sahip olabileceği görülmüş oldu.[8]

Bu yaygın görüşün yanı sıra, 1939 yılında Belinfante, elektronun elektromanyetik dalga alanının çembersel akışı sebebiyle spin özelliğine sahip olduğunu gösterdi [9]. Kuantum alan kuramına göre her parçacık bir alan olarak tanımlanabilir. Bu yaklaşıma göre, spin elektronun içsel bir özelliği değil, elektronun etrafındaki elektromanyetik alanın çembersel enerji akışıyla ilişkili olduğu öne sürülüyor.

Kuantum mekaniğindeki spin kavramının, klasik fizikte tam bir karşılığı olmaması nedeniyle anlaşılması zorlu bir kavram gibi görünebilir. Belki ilerleyen zamanlarda spini daha iyi anlamamızı sağlayacak yeni bilimsel gelişmeler yaşanabilir. Bununla birlikte, günümüzde spin kavramı, hayatımızı etkileyen pek çok teknolojide doğrudan kullanılmaktadır. En önemli uygulamalardan bazıları ise şunlardır:

Hastanelerde manyetik rezonans görüntüleme (MR) olarak bilinen yöntem,
Kimyasalların moleküler yapısını incelemek için nükleer manyetik rezonans (NMR) adı altında kullanılan yöntem,
Bilgisayar sabit disklerinden (HDD) veri okuma, biyosensörler ve mikroelektromekanik (MEMS) sistemlerde kullanılan Dev Manyetik Direnç (GMR) teknolojisi [10],
Kuantum hesaplamalardaki kübitlerde,
Katı hal fiziğinde ve birçok araştırma alanında kullanılmaktadır.

Çevirmen: Hüseyin Bahadır Yay
Redaktör: ChatGPT, Yasir Ölmez

Kuantum Mekaniği ile ilgili daha fazla yazıya buradan ulaşabilirsiniz.