スピンとは何か｜spin

素粒子物理学において電子の「上向きスピン（spin-up）」と「下向きスピン（spin-down）」とは、電子の内在的な量子状態（固有の性質）の一つで、より具体的には電子のスピン角運動量の量子数に対応しています。

1. スピンとは何か

スピン（Spin） とは、素粒子が内在的に持つ量子力学的な角運動量（自転に似ているが、実際の「回転」ではない）を指します。
電子のスピン量子数は、フェルミ粒子（フェルミオン）であるため、1/2 という値をとります。
この1/2のスピンを持つ粒子は、スピンの方向（z軸に対する射影） として「+1/2」または「-1/2」の2種類の状態を取ることができます。これが日常的にいう「上向きスピン」・「下向きスピン」です。

素粒子論的に表現すると、電子のスピン状態は、波動関数の中の**スピノル（Spinor）**という2成分ベクトルで記述されます。

例えば、z軸方向を基準として取った場合、

\[\text{スピンアップ状態} = \begin{pmatrix}1 \\ 0\end{pmatrix}, \quad \text{スピンダウン状態} = \begin{pmatrix}0 \\ 1\end{pmatrix}\]

このようにスピン状態は、数学的にはベクトル（2成分スピノル）で表現される量子状態であり、古典的な「粒子が物理的に回転している」というイメージでは捉えられない純粋に量子力学的な性質です。

スピンは電子などの素粒子にとって本質的な性質であり、磁場中で異なるエネルギー状態をとることで磁気的な相互作用の原因となります。
また、スピンの向きが変化すると、エネルギー状態が変わり、電子が磁性を帯びたり、逆に磁性を帯びなくなったりします。これがスピンエレクトロニクスの基礎となる現象です。