什麼是「自旋」?

2020-12-03 騰訊網

「

穿梭在科學與藝術之中，用創意和技藝，讓抽象的科學概念，鮮活地悅動於眼前，被更多人看見，被更廣泛理解。

」

這是李政道先生的寄語，

也道出了科學與藝術

碰擦的火花能照亮的世界。

有時科學那難以言喻的深奧與精妙，

卻能用藝術的語言來詮釋和表達，

科學與藝術的共鳴令人嘆為觀止。

一年一度，

李政道科學與藝術大賽周末揭曉，

又一批優秀的作品開啟科學之門，

這一次是關於量子世界中粒子的

一項基本屬性——「自旋」。

什麼是「自旋」？

電子自旋永不停止，

這使電子變成了微小的、

像地球一樣的磁鐵。

這一晦澀抽象的物理概念

呼喚出什麼樣的作品？

兩個電子，一個自旋向上，一個自旋向下，撕裂使時空分裂，形成時空太極圖——一等獎作品《自旋與陰陽》用中國畫表達想像，黑白的視覺衝擊更是體現著微觀世界的神秘。

另一幅一等獎作品《旋轉世界的靜點》則將微觀電子自旋和宏觀星球自轉呼應，儘管兩種運動並不相同，但版畫的表達將抽象點線描繪的球體，既是放大的微觀電子，也是縮小的宏觀星球。

今年的大賽吸引了328件投稿作品，

除傳統繪畫，還有創意視頻、

創意攝影、數碼繪畫等新媒體作品，

多元視角讓抽象的科學概念

更加鮮活地躍動於眼前。

藝術家將不鏽鋼金屬片電鍍色膜，

再將金屬細片螺旋而掛，

靜止卻產生著變化、

不確定的夢幻色彩，

而這正是雕塑作品

《狄拉克幻想》的語言。

來自俄羅斯謝爾託洛沃兒童藝術學校的14歲初中生索菲亞·捷列申科成為大獎賽開辦以來年齡最小的參賽者。在國際博協網站上看到大賽徵集通知後，熱愛科學的她立刻燃起創作熱情。她的作品《生命的本質》展示了生命的螺旋形發展進程，色彩濃烈而又充滿想像，最終斬獲三等獎。

科學之理性思辨和

藝術之感性視角融合，

如何表達未來科技趨勢？

天上的量子衛星、

地面和海底的光纖光纜

通過光子流聯通，

不同波長的光波和光子，

沿著光纖傳播互不幹擾，

形成絢麗的「光纖彩虹」……

科學家受邀創作的

主題畫《光子科技新時代》

由上海交通大學物理系教授、

集成光學專家陳益新完成，

作品描繪光子科技正造福人類，

也預示著其將帶來更美好的未來。

部分獲獎作品賞析

作品採用參數化三維動態粒子模擬生成，與動態性主題相呼應，設計主體形態是向心形圓球狀，意對物質本體性研究的向心性追溯，故此得名「源」。

作品表現了3個電子通過磁場相互作用，有三個構圖中心，用傾斜的方塊展現磁場的效果，整體布局從中心向四周，小構件逐漸由低到高，由直到斜。排列亂中有序，恰如變換萬千的世界中暗含的種種科學規律。

本創作採用廢舊科學雜誌，碎紙片一方面象徵著微觀粒子，組成了宇宙萬物；另一方面也代表著自旋理論發展過程中經過無數科學家們的成果沉積，最終才基本完善了該理論。

作品以靜態呈旋轉姿態的崖柏為主體，寓意自旋與旋轉有關；自然形成的顏料肌理表達了粒子自旋的未知量，以及一種可與角動量進行轉換的能量，這是粒子內部隱藏的自由度。三個年份代表發現自旋的三大歷史事件：1922年斯特恩-蓋拉赫實驗證明了原子角動量的量子化，1925年電子自旋概念被提出，1940年泡利證明了「自旋統計定理」。

作品由象徵宇宙的背景、海浪和傅科擺軌跡組成，由丙烯，調和油，矽油，閃粉繪製而成，背景色調明暗相間，遠觀為藍綠黑三種色彩組成，近看其中還蘊藏著金色以及紫色，象徵龐大又充滿未知的宇宙深處；中央為一個巨大的逆時針旋轉的波濤，外圈為傅科擺軌跡。

鸚鵡螺工作室

作者 ｜ 易蓉

圖片 ｜ 上海交通大學圖書館

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  • 自旋電子學Nature:反鐵磁氧化鐵中的可調長程自旋輸運
    【引言】 　　自旋電子學是基於自旋輸運的新興科學技術。所謂自旋其實是電子的內稟角動量，與質量、電荷一樣是電子自身固有性質。電子自旋輸運被認為與傳統電子器件中電子電荷輸運相類似，也可作為載體用於信息傳輸，根據自旋轉移這一特性設計開發的新型電子器件可有望作為現有電子器件的升級替代產品。類似於電流，通過自旋霍爾效應電子發生特定的偏轉，從而產生自旋流（Spin current）。自旋流作為自旋信息傳輸的核心，是發展基於自旋計算器件的關鍵。
  • 電子自旋的高效閥
    圖片來源：巴塞爾大學物理系巴塞爾大學的研究人員與來自比薩的同事合作開發了一種新概念，該概念利用電子自旋來切換電流。除了基礎研究以外，此類自旋閥還是自旋電子學中的關鍵元素，自旋電子學是一種利用自旋而不是電子電荷的電子產品。研究結果發表在科學雜誌《通信物理學》上。在某些時候，自旋電子學可能成為流行語，與電子學一樣，成為我們詞彙量的一部分。
  • 核外電子的形狀,半徑,自旋是什麼?為什麼說電子有半徑無體積?
    我們回歸正題電子的形狀是什麼？形狀在描述有稜有角的宏觀物體時，是完全適用的。但準確來說，電子並沒有形狀。電子屬於基本粒子，也就是說電子沒有內部結構，不可再分成更小的物質，或許說電子內部是未知的。物理學家也管電子叫點粒子。