利用者:SNMESOTOPS/sandbox/シュテルン＝ゲルラッハの実験

シュテルン＝ゲルラッハの実験（シュテルン＝ゲルラッハのじっけん、英: Stern–Gerlach experiment）は1922年にシュテルンとゲルラッハが行った実験である。加熱して蒸発させた銀粒子をビームとして磁場中に通過させると、ビームは2点に分かれることを示した。これは、電子にスピンがあることを示す。

シュテルン＝ゲルラッハの実験の模式図

実験の概要

この実験は、銀原子ビームを磁場中に入射させ、銀原子の磁気モーメントの振る舞いを調べる実験である。 銀原子の電子殻は$4d^{10}5s^{1}$であり、Kr型の閉殻に軌道角運動量を持たない電子が一つ追加された構造をしている。閉殻は正味の角運動量を持たないのでもし、銀原子に磁気モーメントがあるならば$5s$軌道の電子の角運動量に由来する。 シュテルン＝ゲルラッハの実験では、銀原子が磁気モーメントを持つことと、その由来である電子の角運動量の振る舞いが確認された。 $4s$軌道の電子は軌道角運動量を持たないので、磁気モーメントの存在は電子が軌道角運動量とは異なる追加の角運動量を持つことを示し、この追加の角運動量は天体などの自転のアナロジーでスピン角運動量と呼ばれる。 しかし、ここで解説する一連の実験からは、スピン角運動量の振る舞いは古典物理学における自転角運動量の振る舞いとは大きく異なることも示される。

ビームの運動方向をz軸方向とし、それに垂直な平面内の座標をxyで与えよう。 それぞれの方向の磁気モーメント$m_{i}$はその原因となっている荷電粒子のそれぞれの方向の角運動量$J_{i}$に比例する。 磁気モーメントは磁場とカップリングして力を受けることになるので、内積${\vec {B}}\cdot {\vec {J}}$の値がどのようになるかが本質的である。 今、磁場${\vec {B}}$が$B_{x}$のみ有限な値を持つように図のような装置を組むとする。 角運動量の大きさ

古典的予測

ビームの向きが変わることから、銀粒子ビームは磁気モーメントを持っていることがわかる。銀は強磁性体ではないが、磁場の影響で電子の磁気モーメントがそろい、全体としてモーメントを持つ。不均一な磁場をかけるのは、磁気モーメントが磁場から磁力を受けるようにするためである。

ビーム中の個々の銀粒子については、磁気モーメントの向きおよび大きさは自由なので磁場から受ける力もさまざまである。したがってビームの先のスクリーン上では、ビーム軸を中心に広がる分布として銀粒子が観測できる、と予測される。

実験結果

実験の結果、ビームは2本に分かれて観測された。これはビーム中の銀粒子の磁気モーメントは大きさが等しく、向きは磁場に引き寄せられる、あるいは反発するという2状態のどちらかしかないことを意味する。古典力学ではこの結果を説明できない。

量子力学では、電子はスピン1/2である。これは端的に言えば二つの状態のみを取る。

ナノスケールの半導体中で実現

2012年に東北大学、京都大学、東邦大学、日本電信電話らの研究グループは、強磁性材料や外部磁場を全く用いずに、半導体中を流れる電子のスピンを一方向に揃える手法を確立した。本実験は、量子力学の基本原理であるシュテルン−ゲルラッハ効果をナノスケールの半導体中で実現したことに相当する。

文献

• 「強磁性体や外部磁場を用いずに電子のスピンを揃えることに世界で初めて成功」（PDF）2012年12月。 
• Makoto Kohda; Shuji Nakamura; Yoshitaka Nishihara; Kensuke Kobayashi; Teruo Ono; Jun-ichiro Ohe; Yasuhiro Tokura; Taiki Mineno et al. (25 September 2012). Spin–orbit induced electronic spin separation in semiconductor nanostructures. 3. doi:10.1038/ncomms2080. http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n9/full/ncomms2080.html. 

関連項目

• 二重スリット実験

外部リンク

• スピンとは何か