¿Cómo mostrar la rotación finita de un sistema spin-1/2?

Estoy repasando mi mecánica cuántica revisando a Sakurai y Napolitano nuevamente y resolviendo todas las derivaciones. Estoy perplejo (aunque probablemente no debería estarlo) con algo de álgebra en la rotación finita de los sistemas de espín-1/2. La derivación (Sakurai y Napolitano, pág. 164) comienza aplicando el operador de rotación finita sobre el eje z al S X operador sobre la base de S z autos:

( 2 ) Exp ( i S z ϕ ) ( | + | + | + | ) Exp ( i S z ϕ )

Hasta aquí todo bien: la descomposición espectral de S X es obvio a partir de las matrices de Pauli, y el operador de rotación finito es fácil de obtener tomando el límite de aplicar el operador de rotación infinitesimal infinitamente muchas veces. Sustituyendo S z = 2 y repartiendo, obtengo

( 2 ) ( mi i ϕ / 2 | + | mi i ϕ / 2 + mi i ϕ / 2 | + | mi i ϕ / 2 )

Pero Sakurai y Napolitano (correctamente) obtienen

( 2 ) ( mi i ϕ / 2 | + | mi i ϕ / 2 + mi i ϕ / 2 | + | mi i ϕ / 2 )

De esta forma es sencillo aplicar la fórmula de Euler y mostrar que la acción de la rotación finita en S X es solo

S X porque ϕ S y pecado ϕ

que gira el espín en el plano xy, como se esperaba. Lo que no puedo entender (y estoy seguro de que es algo simple que estoy pasando por alto) es cómo se distribuyen los exponenciales en los dos términos en la descomposición espectral. ¿Es este un truco de álgebra que me estoy perdiendo, o hay algo más equivocado en mi forma de pensar?

Respuestas (1)

Es una simple multiplicación de matrices y los operadores entran por ambos lados.

mi X pag ( i S z ϕ / ) actuaría desde la izquierda en los kets mientras mi X pag ( i S z ϕ / ) actuaría desde la derecha sobre los sujetadores. Puedes verlo más claramente si lo haces explícitamente.

usa la base | + y | para representar los operadores como matrices

| + = [ 1 0 ] | = [ 0 1 ]

+ | = [ 1 0 ] | = [ 0 1 ]

mi X pag ( i S z ϕ / ) tendría la forma [ mi i ϕ / 2 0 0 mi i ϕ / 2 ]

mientras mi X pag ( i S z ϕ / ) tendría la forma [ mi i ϕ / 2 0 0 mi i ϕ / 2 ]

mi X pag ( i S z ϕ / ) | = [ mi i ϕ / 2 0 0 mi i ϕ / 2 ] [ 0 1 ] = mi i ϕ / 2 |

no mi i ϕ / 2 | y

| mi X pag ( i S z ϕ / ) = [ 0 1 ] [ mi i ϕ / 2 0 0 mi i ϕ / 2 ] = | mi i ϕ / 2

no | mi i ϕ / 2

Usó el mismo valor propio para el operador que actúa en ambos | + y | .

¡Sí! Ese es mi problema, estaba atascado pensando en los exponenciales como escalares en lugar de ingresarlos como matrices de 2x2... lo cual tiene sentido ya que son operadores. ¡Gracias!
Me alegro de poder ayudar. :-)