電子自旋有多神奇？
電子，是世界上最神祕的粒子之一。它不只帶有負電荷，還會「自旋」。這個奇異的特性，是整個物質世界的根基，也是當代磁學的關鍵字，促成磁性記憶體等重大科技突破。研之有物專訪中研院院士、約翰霍普金斯大學物理系錢嘉陵講座教授，娓娓道來電子自旋如何開啟「現代磁學的黃金時代」。
中研院錢嘉陵院士，任教於美國約翰霍普金斯大學，並為 Jacob L. Hain 講座教授，專注於磁性、超導體、自旋電子學和納米結構材料的研究。錢教授不但是美國物理學會和美國科學促進學會的會士，榮獲美國物理學會的大衛阿德勒獎 (David Adler Award)，更得到國際物理與應用物理聯盟 (IUPAP) 磁學獎與奈爾獎章 (Néel Medal)。 攝影│林洵安
電子自旋 = 旋轉的電子？
首先，「自旋 1/2 」的電子是怎麼回事？難道電子會轉，而且永遠只轉半圈？
電子自旋，指的是電子帶有的一種量子性質，簡單說，科學家觀察到了電子具有自旋角動量，而帶電的粒子只要旋轉，就會產生磁場。換句話說，每個電子不只是帶著負電荷的一個小粒子，還是一個「超級迷你磁鐵」(磁矩)。
不過，在一般巨觀的世界裡，物體具有角動量代表正在旋轉，但在量子世界裡，電子雖有角動量，卻不能理解成電子真的在轉。錢嘉陵解釋：「電子是個體積無限小的粒子，沒有體積，所以不可能轉動，自旋完全是量子力學的概念。」沒有體積，卻有角動量，量子世界就是這麼不可思議！
量子世界的另一個不思議，在於所有東西都「量子化」，電子自旋也一樣──電子自旋角動量值在磁場中只能是 1/2 或 -1/2 ，沒有其他可能的值，這就是「電子自旋 1/2 」的由來。許多其他的粒子也有自旋角動量值，但統統只能是 1/2 的倍數，而且相鄰一定差 1 ，例如自旋 1 [1, 0, -1] 或是自旋 3/2 [3/2, 1/2, -1/2, -3/2] 。
電子雖有角動量，卻不能理解成電子真的在轉。因為電子是個體積無限小的粒子，沒有體積，所以不可能轉動，自旋完全是量子力學的概念。而且電子自旋角動量值在磁場中只能是 1/2 或 -1/2 ，沒有其他可能的值，這就是「電子自旋 1/2 」的由來。 圖說設計│黃曉君、林洵安
如此違反直覺的電子自旋，究竟是怎麼被發現的呢？
純屬意外！發現電子自旋 1/2
電子自旋的發現，來自一場「想不到可以成功」的實驗。 1913 年，波耳（ Niels Bohr ）提出角動量量子化的概念，也就是在量子世界，角動量必定是「普朗克常數除以 2π 」（符號為 ℏ ）的整數倍，例如某種粒子具有的角動量是 ℏ 的 1 倍，代表在觀察這種粒子時，角動量只可以是 ℏ 的 -1 、 0 、 +1 倍，不能是 ℏ 的 0.1 倍、 0.2 倍等等介於中間的值。
這個概念對當時的人來說太前衛，違反直覺，反對者包括接下來上場的兩位主角──斯特恩（ Otto Stern ）與格拉赫（ Walther Gerlach )。
斯特恩與格拉赫於 1922 年設計了一個實驗，本意為「反駁」波耳的說法。他們將「銀」蒸發，產生銀原子束，穿過一個不均勻的磁場，投射到屏幕上。在通過不均勻磁場時，帶有角動量的銀原子會受到偏折。如果角動量不是量子化的 (具有各種方向的角動量)，偏折的角度將有無限可能，屏幕上應是一片連續分布的銀原子。但實驗結果出人意表：銀原子偏折的角度只有兩個。換言之，角動量真的是量子化的！如以下影片所示：
電子自旋解說影片：
在做實驗之前，斯特恩信心滿滿的說：「波耳這個沒道理的模型如果是對的，我退出物理圈！」格拉赫也說：「沒有實驗這麼蠢的！」（不過他們還是做了。）但最後他們不但被狠狠打臉，還寄了明信片給波耳告解：「波耳，你終究是對的。」
不過，這兩人的臉可沒被白打，這個實驗正式拉開現代電磁學的序幕！「當時他們看到的現象，其實就是電子的自旋 1/2 ！因電子的自旋角動量只有兩種可能： -1/2 及 +1/2 ，所以只會產生兩條偏折路線。」錢嘉陵笑著說：「能夠看見這個現象，真的很走運！」
這兩位科學家有多走運？兩人使用的粒子束雖然不是電子，卻正好是銀原子，這是少數體積夠大足以觀測、整體效應卻又等同一個電子的粒子。「如果他們換一種原子來做，就不會看到自旋了！」錢嘉陵提出另一幸運條件：「這個實驗的銀原子這麼少，怎麼看得見？原來當時的科學家會在實驗室抽雪茄菸，是煙，讓銀原子現形。」
儘管自旋在 1922 年就發現了，但礙於自旋是奈米尺度的現象，需要高科技的觀測技術才能觀察，因此又過了六十幾年，相關成果才開始嶄露頭角，包括發現層間耦合（ interlayer coupling ）以及巨磁阻效應（ giant magnetoresistance ）等等。「自 1986 年起，幾乎每一兩年，大家就找到一個關於自旋的新題目，現代磁學的黃金時代就此揭開序幕。」錢嘉陵回想。
若用一個詞來敘述「現代磁學」，那個詞就是「自旋」。