Une particule dotée d'un spin intrinsèque dont l'orientation peut être manipulée et mesurée dans les systèmes quantiques.Une toupie quantique est une particule dotée d'un spin intrinsèque — un moment cinétique interne qui se comporte comme un minuscule objet en rotation, mais avec des propriétés purement quantiques. Contrairement à une toupie classique, son spin est quantifié : il ne peut prendre que des valeurs discrètes, et son orientation ne peut être spécifiée avec précision ; il existe plutôt dans une superposition de directions possibles. Ce concept est central en mécanique quantique car le spin est une propriété fondamentale des particules comme les électrons, les protons et les neutrons, et il sous-tend des phénomènes tels que la résonance magnétique et l'intrication quantique.
Le concept de spin a été introduit en 1925 par George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit pour expliquer l'effet Zeeman anormal, puis formalisé par Wolfgang Pauli et Paul Dirac.
En mécanique quantique, le spin d'une particule est décrit par un opérateur vectoriel dont les composantes ne commutent pas, ce qui signifie que l'on ne peut pas connaître simultanément les trois composantes. L'état de la particule est un vecteur dans un espace de Hilbert, et la mesure du spin selon un axe quelconque donne l'une d'un ensemble fini de valeurs propres (par exemple, pour un spin 1/2, deux résultats possibles). La manipulation consiste à appliquer des champs magnétiques ou des impulsions laser qui font tourner l'état de spin, tandis que la mesure projette la superposition sur une direction de spin définie, effondrant ainsi l'état.
Les toupies quantiques sont utilisées dans le calcul quantique (qubits), l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et les horloges atomiques.
Le spin d'un électron n'est pas une rotation réelle ; s'il l'était, la surface de l'électron se déplacerait plus vite que la lumière.
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