Interacción espín-órbita
En física cuántica , la interacción espín-órbita (también llamada efecto espín-órbita o acoplamiento espín-órbita ) es una interacción relativista del espín de una partícula con su movimiento dentro de un potencial . Un ejemplo clave de este fenómeno es la interacción espín-órbita que provoca cambios en los niveles de energía atómica de un electrón , debido a la interacción electromagnética entre el dipolo magnético del electrón , su movimiento orbital y el campo electrostático del núcleo con carga positiva . Este fenómeno es detectable como una división de líneas espectrales, que puede considerarse como un efecto Zeeman producto de dos efectos relativistas: el campo magnético aparente visto desde la perspectiva del electrón y el momento magnético del electrón asociado con su espín intrínseco. Un efecto similar, debido a la relación entre el momento angular y la fuerza nuclear fuerte , ocurre para los protones y neutrones que se mueven dentro del núcleo, lo que lleva a un cambio en sus niveles de energía en el modelo de la capa del núcleo . En el campo de la espintrónica , se exploran los efectos de giro-órbita de los electrones en semiconductores y otros materiales para aplicaciones tecnológicas. La interacción espín-órbita es una de las causas deanisotropía magnetocristalina y efecto Hall de espín .
Para los átomos, la división del nivel de energía producida por la interacción espín-órbita suele ser del mismo orden en tamaño que las correcciones relativistas de la energía cinética y el efecto zitterbewegung . La suma de estas tres correcciones se conoce como estructura fina . La interacción entre el campo magnético creado por el electrón y el momento magnético del núcleo es una corrección menor a los niveles de energía conocida como estructura hiperfina .
Esta sección presenta una descripción relativamente simple y cuantitativa de la interacción espín-órbita para un electrón unido a un átomo similar al hidrógeno , hasta el primer orden en la teoría de la perturbación , usando algo de electrodinámica semiclásica y mecánica cuántica no relativista. Esto da resultados que concuerdan razonablemente bien con las observaciones.
Un cálculo riguroso del mismo resultado usaría la mecánica cuántica relativista , usando la ecuación de Dirac , e incluiría interacciones de muchos cuerpos . Lograr un resultado aún más preciso implicaría calcular pequeñas correcciones a partir de la electrodinámica cuántica .
Primero nos ocuparemos del campo magnético . Aunque en el marco de reposo del núcleo no hay un campo magnético actuando sobre el electrón, sí lo hay en el marco de reposo del electrón (ver electromagnetismo clásico y relatividad especial ). Ignorando por ahora que este marco no es inercial , en unidades SI terminamos con la ecuación
donde v es la velocidad del electrón y E es el campo eléctrico que atraviesa. Aquí, en el límite no relativista, asumimos que el factor de Lorentz . Ahora sabemos que E es radial, entonces podemos reescribir . También sabemos que el momento del electrón . Sustituyendo esto y cambiando el orden del producto cruz da
