Σε αυτό το σεμινάριο, μαθαίνουμε για την περίεργη ιδιότητα του Spin και τις εφαρμογές του στην καθημερινότητα. Ξεκινώντας από την εξήγηση του μαγνητισμού, φθάνουμε έως τους κβαντικούς υπολογιστές και μελετάμε την επίδραση του πολύ μικρού στην ζωή μας.

1. Σεμινάρια Σύγχρονης Φυσικής
«ΒΙΒΛΙΟΠΩΛΕΙΟ ΑΙΓΗΙΣ»
Ε.Χανιωτάκης,
Φυσικός

3. Στροφορμή: Η «ποσότητα κίνησης» ενός περιστρεφόμενου συστήματος
Όταν σε ένα σώμα ή σύστημα σωμάτων
δεν ασκούνται εξωτερικές ροπές (αίτια περιστροφής)
η στροφορμή διατηρείται σταθερή

4. https://www.youtube.com/watch?v=H4JUTnkiGpI

6. Αν θεωρήσουμε το ηλεκτρόνιο μία σφαίρα ακτίνας <10-15 m, η
οποία έχει κατανεμημένο ηλεκτρικό φορτίο = -1,6*10-19 C σε όλο
της τον όγκο, αν περιστρέφεται τότε θα έχουμε κινούμενο
ηλεκτρικό φορτίο  ηλεκτρικό ρεύμα  άρα θα παράγεται
μαγνητικό πεδίο!
Η «φορά ιδιοπεριστροφής» ορίζει και τον προσανατολισμό του
μαγνητικού πεδίου

7. Το πείραμα που έγινε το 1922 και απέδειξε ότι το ηλεκτρόνιο έχει τον Κβαντικό
Αριθμό της ιδιοστροφορμής  Spin!
Μια δέσμη ατόμων αργύρου εστάλη σε ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Η συνολική
στροφορμή του κάθε ατόμου ήταν ίση με την ιδιοστροφορμή του τελευταίου
ηλεκτρονίου στην εξωτερική του στιβάδα.
Περνώντας το κάθε άτομο από το ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο δέχεται μία δύναμη
η οποία είναι ανάλογη της ιδιοπεριστροφής του ηλεκτρονίου.
Παρατηρήθηκε ότι η ιδιοπεριστροφή του e-  Spin είναι κβαντισμένη:
Για το ηλεκτρόνιο έχει την τιμή h/4π kai μπορεί να έχει φορά δεξιόστροφη
(SpinΚάτω) ή αριστερόστροφη (Spin  Πάνω).
Ας δούμε το πείραμα:

8. https://www.youtube.com/watch?v=rg4Fnag4V-E

10. Αν θεωρήσουμε το ηλεκτρόνιο μία
σφαίρα ακτίνας 10-15m, η οποία έχει
κατανεμημένο
ηλεκτρικό φορτίο = -1,6*10-19 C σε όλο
της τον όγκο, με Spin = ħ/2, τότε οι
υπολογισμοί μας μας δίνουν ότι η
ταχύητητα περιστροφής του στον
«ισημερινό» του θα είναι περίπου 500
φορές η ταχύτητα του φωτός!!!!
Τίποτα δεν κινείται πιο γρήγορα από την
ταχύτητα του φωτός στο κενό!!!!

11. Συμπεριφέρεται σαν την
ιδιοστροφορμή αλλά δεν είναι.
 Μπορούμε να το προσεγγίσουμε με
την έννοια της πόλωσης του φωτός.

13. Το άτομο αποτελείται από τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας
και το ηλεκτρόνιο έχουν στροφορμή και Spin  Παράγουν μαγνητικό
πεδίο.
Όταν τα μαγνητικά πεδία σε ένα υλικό ευθυγραμμιστούν (λόγω
εξωτερικού μαγνητικού πεδίου π.χ), το υλικό παράγει δικό του
μαγνητικό πεδίο!
Όμως… το μαγνητικό πεδίο του πυρήνα είναι ~1000 φορές μικρότερο
από αυτό του ηλεκτρονίου.. Και τα μαγνητικά πεδία που οφείλονται
στην περιφορά των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα,
αλληλοεξουδετερώνονται..
Αποτέλεσμα  Το μαγνητικό πεδίο οφείλεται κυρίως στο Spin των
ηλεκτρονίων!!!!

14. https://www.youtube.com/watch?v=MRqQQGO7Xe8

15. Μαγνητίσιμα Υλικά

17.  Tεχνική απεικόνισης μαλακού ιστού
 Πρώτη δοκιμή το 1997
 Βασίζεται στη μετάπτωση του Spin των πυρήνων στους ιστούς του
οργανισμού:
- Το Πυρηνικό Spin προσανατολίζεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και
αρχίζει να μεταπίπτει γύρω από αυτό με μια καθορισμένη συχνότητα
(Larmor).
- Μεταβολή του μαγνητικού πεδίου εντοπίζει την περιοχή ενδιαφέροντος και
ορίζει το pixel μας.
- Εξωτερικοί παλμοί ραδιοσυχνοτήτων αναγκάζουν τους πυρήνες να
διεγερθούν, στρέφοντας τη διεύθυνση του δικού τους μαγνητικού πεδίου.
- Μετά από κάποιο χρόνο, τον χρόνο χαλάρωσης, κατά την αποδιέγερση των
πυρήνων, εκπέμπονται δευτερογενείς ραδιοπαλμοί από αυτούς και
ανιχνεύονται.
- Ο χρόνος χαλάρωσης είναι ενδεικτικός του είδους του ιστού.

18. https://www.youtube.com/watch?v=0Puo4DJTzAM

20. “Δύο φερμιόνια δεν μπορούν να έχουν το ίδιο σύνολο
κβαντικών αριθμών».
 Φερμιόνια: Σωματίδια με ημιακέραιο Spin (ηλεκτρόνιο,
κουαρκ, νετρίνο κ.α)
Αν σε ένα άτομο δύο ηλεκτρόνια έχουν την ίδια ενέργεια και
στροφορμή, αναγκαστικά θα πρέπει τα Spin τους να είναι
«αντιπαράλληλα» ώστε να υπακούουν την απαγορευτική
αρχή.
 Εξηγεί την κατανομή των ηλεκτρονίων στις στιβάδες των
ατόμων και κατα συνέπεια τις χημικές ιδιότητες των
πολυηλεκτρονιακών ατόμων.

24. https://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4

25.  Δυνατότητες:
Επεξεργασία τεράστιου όγκου δεδομένων σε πολύ μικρό χρόνο.
 Εφαρμογές:
Από την ασφάλεια ταξιδίων, έως την ανάλυση τεράστιου όγκου
επιστημονικών δεδομένων σε όλα τα πεδία.
 Είναι πιο γρήγοροι από τους Κλασσικούς Υπολογιστές;
Όχι ως προς την εκτέλεση μιας πράξης. Αλλά είναι υπερβολικά πιο γρήγοροι
ως προς την ταχύτητα εκτέλεσης πολλών πράξεων παράλληλα.

26. Μάθαμε για το Spin και τις εφαρμογές του.
Ξεκινώντας από τον μαγνητισμό και την εξήγησή του,
καταλήξαμε στο πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την
Κβαντομηχανική για να εκτελέσουμε μυριάδες εντολών σε
ελάχιστο χρόνο με έναν κβαντικό υπολογιστή.
Η διαδρομή μας στην Κβαντική Μηχανική ξεκίνησε
θεωρώντας την διτότητα σωματιδίου-κύματος. Πλέον
είμαστε σε θέση να συζητάμε για εφαρμογές που αξιοποιούν
«απίστευτες» Φυσικές ιδιότητες που περιγράφει η
κβαντομηχανική για να προχωρήσουμε τη γνώση ένα βήμα
παραπέρα και να κάνουμε την ζωή μας πιο εύκολη.