¿Por qué el producto escalar es igual a uno? (matrices de espín de Pauli)

Estaba leyendo estas notas de clase (NB: PDF):

Para spin-1/2, el operador de rotación

R α ( s ) ( norte ) = Exp ( i α 2 σ norte ^ )
puede escribirse como un explícito 2 × 2 matriz. Esto se logra expandiendo la exponencial en una serie de Taylor:
Exp ( i α 2 σ norte ^ ) = 1 i α 2 ( σ norte ^ ) + 1 2 ! ( i α 2 ) 2 ( σ norte ^ ) 2 1 3 ! ( i α 2 ) 3 ( σ norte ^ ) 3 +
Tenga en cuenta que
( σ norte ^ ) 2 = ( σ norte ^ ) ( σ norte ^ ) = norte ^ norte ^ + i σ ( norte ^ × norte ^ ) = 1
Por lo tanto, la serie de Taylor se convierte en
Exp ( i α 2 σ norte ^ ) = 1 i α 2 ( σ norte ^ ) + 1 2 ! ( i α 2 ) 2 ( σ norte ^ ) 2 1 3 ! ( i α 2 ) 3 ( σ norte ^ ) 3 + = [ 1 1 2 ! ( α 2 ) 2 + 1 4 ! ( α 2 ) ps + ] i σ norte ^ [ ( α 2 ) 1 3 ! ( α 2 ) 3 + ] = porque ( α 2 ) i σ norte ^ pecado ( α 2 )

Sin embargo, la parte que no entiendo es:

( σ norte ^ ) 2 = ( σ norte ^ ) ( σ norte ^ ) = norte ^ norte ^ + i σ ( norte ^ × norte ^ ) = 1

¿Por qué es igual a 1? ¿De dónde vienen el producto escalar y el producto cruzado? Tenga en cuenta que el σ son matrices de espín de Pauli .

Respuestas (1)

Para mostrar que

(1) ( σ norte ) 2 = norte norte + i σ ( norte × norte )
considere escribir lo anterior como
( σ a ) ( σ b ) = j σ j a j k σ k b k = j k ( 1 2 { σ j , σ k } + 1 2 [ σ j , σ k ] ) a j b k (2) = j k ( d j k + i ϵ j k yo σ yo ) a j b k
donde la segunda línea surge del uso de la relación anti-conmutación y conmutación para las matrices. En la tercera línea, tenemos el delta de Kronecker y el símbolo de Levi-Civita . El resultado (1) se obtiene al completar las matemáticas de (2) (es decir, escribirlo en notación vectorial y reemplazar a y b con norte ).

El resto es para mostrar que esto es igual a 1. Para eso, las siguientes dos pistas deberían ser suficientes:

  1. Tenga en cuenta que para dos vectores a y b , a × b = b × a . ¿Qué requisito se necesita si b = a : a × a = ?
  2. Para el vector unitario, por ejemplo norte = ( 1 , 0 ) T , ¿cuál es el producto escalar?