角運動量を合成することとテンソルを既約表現に分解すること

スピン1の波動関数をpsiで定義したとき,
|x\rangle \equiv (|1,1\rangle+|1,-1\rangle)/\sqrt{2}
|y\rangle \equiv (|1,1\rangle-|1,1\rangle)/\sqrt{2}i
|z\rangle \equiv |1,0\rangle
と定義すると,\( \langle x|\psi\rangle, \langle y|\psi\rangle, \langle z|\psi\rangle  \)は回転に対し,通常のベクトルと同じ変換則に従う.
これを\langle x_i|\psi \rangleを略記する.


ベクトルA,Bの直積により作った2階の直行テンソルA_i B_jと書けるが,
これを先に議論した記法で書くと,\langle x_i|\psi \rangle \langle x_j|\phi \rangleとなる.


|\psi\rangle|\phi\rangleの張る空間の基底は,|x_i\rangle|x_j\rangleという9個のケットであるが,
|1,1:2,m\rangle,\ |1,1:1,m\rangle,\ |1,1:0,m\rangleという9個のケットに基底をとりかえることもできる.
後者の基底はそれぞれ回転群の既約表現を構成する.


つまり,\langle x_i|\psi \rangle \langle x_j|\phi \rangleの9個の成分を組み替えて,
\langle 1,1;2,m|\psi \rangle|\phi \rangleの組,
\langle 1,1;1,m|\psi \rangle|\phi \rangleの組,
\langle 1,1;0,m|\psi \rangle|\phi \rangleの組がそれぞれ回転群の既約表現を為す.

\langle 1,1;2,2|\psi \rangle|\phi \rangle = \langle 1,1|\psi\rangle\langle 1,1 |\phi\rangle
\langle 1,1;2,1|\psi \rangle|\phi \rangle = (\langle 1,1|\psi\rangle\langle 1,0 |\phi\rangle + \langle 1,0|\psi\rangle\langle 1,1 |\phi\rangle)/\sqrt{2}
\langle 1,1;2,0|\psi \rangle|\phi \rangle = (\langle 1,1|\psi\rangle\langle 1,-1 |\phi\rangle + 2\langle 1,0|\psi\rangle\langle 1,0 |\phi\rangle + \langle 1,-1|\psi\rangle\langle 1,1 |\phi\rangle)/\sqrt{6}
\langle 1,1;2,-1|\psi \rangle|\phi \rangle = (\langle 1,-1|\psi\rangle\langle 1,0 |\phi\rangle + \langle 1,0|\psi\rangle\langle 1,-1 |\phi\rangle)/\sqrt{2}
\langle 1,1;2,-2|\psi \rangle|\phi \rangle = \langle 1,-1|\psi\rangle\langle 1,-1 |\phi\rangle


\langle 1,1;1,1|\psi \rangle|\phi \rangle = (\langle 1,1|\psi\rangle\langle 1,0 |\phi\rangle - \langle 1,0|\psi\rangle\langle 1,1 |\phi\rangle)/\sqrt{2}
\langle 1,1;1,1|\psi \rangle|\phi \rangle = (\langle 1,1|\psi\rangle\langle 1,-1 |\phi\rangle - \langle 1,-1|\psi\rangle\langle 1,1 |\phi\rangle)/\sqrt{2}
\langle 1,1;1,-1|\psi \rangle|\phi \rangle = -(\langle 1,-1|\psi\rangle\langle 1,0 |\phi\rangle - \langle 1,0|\psi\rangle\langle 1,-1 |\phi\rangle)/\sqrt{2}


\langle 1,1;2,0|\psi \rangle|\phi \rangle = (\langle 1,1|\psi\rangle\langle 1,-1 |\phi\rangle - 2\langle 1,0|\psi\rangle\langle 1,0 |\phi\rangle + \langle 1,-1|\psi\rangle\langle 1,1 |\phi\rangle)/\sqrt{6}

この変換則は,一般の2階テンソルに応用できる.
T_{2}^{(2)} = A_1 B_1
T_{1}^{(2)} = (A_1 B_0 + A_0 B_1)/\sqrt{2}
T_{0}^{(2)} = (A_1 B_{-1} + 2A_0 B_0 + A_{-1} B_1)/\sqrt{6}
T_{-1}^{(2)} = (A_{-1} B_0 + A_0 B_{-1})/\sqrt{2}
T_{-2}^{(2)} = A_{-1} B_{-1}


T_{1}^{(1)} = (A_1 B_0 - A_0 B_1)/\sqrt{2}
T_{0}^{(1)} = (A_1 B_{-1} - A_{-1} B_1)/\sqrt{2}
T_{-1}^{(1)} = -(A_{-1} B_0 - A_0 B_{-1})/\sqrt{2}


T_{0}^{(0)} = (A_1 B_{-1} - A_0 B_0 + A_{-1} B_1)/\sqrt{6}

直交成分に直せば,
T_{2}^{(2)} = (A_x B_x - A_y B_y + i (A_x B_y + A_y B_x))/2
T_{1}^{(2)} = (A_x B_z + A_z B_x + i(A_y B_z + A_z B_y) )/2
T_{0}^{(2)} = (A_x B_x + A_y B_y + 2A_z B_z)/\sqrt{6}
T_{-1}^{(2)} = (A_x B_z + A_z B_x - i(A_y B_z + A_z B_y) )/2
T_{-2}^{(2)} = (A_x B_x - A_y B_y - i (A_x B_y + A_y B_x))/2


T_{1}^{(1)} = (A_x B_z - A_z B_x + i (A_y B_z - A_z B_y) )/2
T_{1}^{(0)} = i(A_y B_x - B_y A_x)/2
T_{1}^{(-1)} = -(A_x B_z - A_z B_x - i (A_y B_z - A_z B_y) )/2


T_{0}^{(0)} = -(A_x B_x + A_y B_y + A_z B_z)/\sqrt{6}

T_0スカラーa\cdot b
T_1がベクトルa\times b
T_2がトレースレス対称テンソルa_{i}b_{j}-a\cdot b \delta_{ij}/3を構成していることが分かる.(よく見れば)