自旋是微观粒子必备的特性。现代物理实验清楚的表明，宇宙中基本粒子都显得具有一内禀角动量，等于   h／4π的某一整数倍（h为普朗克常数），特别是我们最熟悉的质子、中子、电子、光子和中微子等都具有一内禀角动量。在这一尺度量级上我们虽不能确言什么东西在旋转或怎样旋转，但有这样一个事实，内禀角动量有一个重要性质，在有这些粒子参与的一切相互作用和重新组合中，角动量总是守恒的。在基本粒子中，电子应算是最接近于质点的粒子，电子具有非常确定的质量和电荷，实验显示电子在10^-17cm量级仍表现得像个质点，不呈现内部结构，但电子却有着某种类似于内部结构的自旋角动量和自旋磁矩，一个没有大小的质点却具有旋转角动量和空间方向性及磁矩，这似乎很荒谬，但我们必须作为自然界的事实接受这个详谬。光子也具有内禀自旋角动量，还具有与波长成正比的绕射能力，但光子的静质量却为零。

1897年汤姆森发现电子之后，人们只知道电子具有电性。20多年之后，电子自旋被发现。施特恩和盖拉斯发现电子还有磁性，命名为“自旋”。每一个自旋电子，都是一个小磁针，当把这枚小磁针放到一个强磁场里，它们会像指南针一样，顺着磁场的方向排列起来，小磁针也会绕着磁场不停地转，结果就出现了一个或者顺磁，或者逆磁的磁矩，对于电子来说，这个磁矩就为电子的磁矩。电子的自旋现象首先在碱金属元素的发射光谱研究中被发现。

1925年秋天，两个年轻的荷兰物理学家产生了同样的想法，George Uhlenbeck和Samuel Goudsmit。在保罗.埃伦菲斯特的建议下，他们以一个小篇幅发表了他们的结果。它得到了正面的反应，特别是在Llewellyn Thomas消除了实验结果与 Uhlenbeck 和 Goudsmit的(以及 Kronig 未发表的)计算之间的两个矛盾的系数之后。这个矛盾是由于电子指向的切向结构必须纳入计算，附加到它的位置上;以数学语言来说，需要一个纤维丛描述。切向丛效应是相加性的和相对论性的(比如在c趋近于无限时它消失了);在没有考虑切向空间朝向时其值只有一半，而且符号相反。因此这个复合效应与后来的相差系数2(Thomas precession)。尽管最初反对这个想法，泡利还是在1927年形式化了自旋理论，运用了埃尔文·薛定谔和沃纳·海森堡发现的现代量子力学理论。他开拓性地使用泡利矩阵作为一个自旋算子的群表述，并且引入了一个二元旋量波函数。

泡利的自旋理论是非相对论性的。然而，在1928年，保罗.狄拉克发表了狄拉克方程式，描述了相对论性的电子。在狄拉克方程式中，一个四元旋量所谓的“狄拉克旋量”被用于电子波函数。在1940年，泡利证明了“自旋统计定理”，它表述了费米子具有半整数自旋，玻色子具有整数自旋。

经过多年发展，小到手表，大到宇宙，电子的电性有了充分利用。但是磁性一直沉睡着。1988年发现巨磁电阻效应，其科学意义在于第一次揭示了电子的另外一个行为——自旋的作用。物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象。

                                                             巨磁阻效应示意图

通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。

如右图所示，左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（蓝色），中间是非磁性材料薄膜层（橘色）。

左面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相同。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻；但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。