こんにちは。 山師です。
最近は研究で忙しく、ブログを更新できていませんでした。 6月も末になり、ようやく時間に余裕ができたので、また物理に関する記事を書こうと思います。 今回は長らくサボっていたウィグナー・エッカルトの定理 (Wigner-Eckart theorem) の証明です。
ウィグナー・エッカルトの定理とは何か
ウィグナー・エッカルトの定理については、以前の記事で書きました。 ここでは、ウィグナー・エッカルトの定理の言っていることを再掲します。
既約テンソル演算子 (irreducible tensor operator) Tkq があったとき、その角運動量についての行列要素は、クレプシュ・ゴルダン係数 (Clebsch-Gordan coefficients) とある定数とを用いて、次のように表すことができます。 ⟨τJM|Tkq|τ′J′M′⟩=1√2J+1⟨τJ||Tk||τ′J′⟩⟨J′M′kq|JM⟩ ここで、⟨τJ||Tk||τ′J′⟩ は縮約行列要素 (reduced matrix element) と呼ばれる定数です。 縮約行列要素は、M、M′、qには依存しません。
このように、M、M′、qに依存する部分をすべてクレプシュ・ゴルダン係数に押し込めることができるのが、ウィグナー・エッカルトの定理のもっとも重要な部分です。
仮定
ウィグナー・エッカルトの定理が適用できるためには、Tkq が既約テンソル演算子である必要があります。 ここでは、既約テンソル演算子を次のように定義します。 kを0以上の整数としたとき、k階の既約テンソル演算子とは、2k+1 個の演算子 Tkq (q=−k,−k+1,…,k) の集まりであって、交換関係 {[Jz,Tkq]=ℏqTkq[J±,Tkq]=ℏ√k(k+1)–q(q±1)Tkq±1 を満たすものをいいます[1]この定義は、Budker、Kimball、DeMille『Atomic Physics』による。。 ただし、J±=Jx±iJy は昇降演算子です。
証明
それでは、ウィグナー・エッカルトの定理を証明してみましょう。 証明は基本的にはメシア[2]メシア『量子力学』第13章によります。 なお、以下では簡単のため、ℏ=1 とします。
まず、(2k+1)(2J+1)個のベクトル Tkq|JM⟩ を考えましょう。 いささか天下り式ですが、これらのベクトルの線型結合 |AJ′M′⟩ を次のように作ってみます。 |AJ′M′⟩=∑MqTkq|JM⟩⟨JMkq|J′M′⟩ クレプシュ・ゴルダン係数の直交関係より Tkq|JM⟩=∑J′M′|AJ′M′⟩⟨JMkq|J′M′⟩ が成り立ちます。
さて、Tkq|JM⟩ に角運動量演算子を作用させてみましょう。 まず、J+ を作用させると、 J+Tkq|JM⟩=[J+,Tkq]|JM⟩+TkqJ+|JM⟩=√k(k+1)−q(q+1)Tk(q+1)|JM⟩+√J(J+1)−M(M+1)Tkq|J(M+1)⟩ これより、J+|AJ′M′⟩=∑Mq[√k(k+1)−q(q+1)Tk(q+1)|JM⟩+√J(J+1)−M(M+1)Tkq|J(M+1)⟩]⟨JMkq|J′M′⟩=∑Mq[√k(k+1)−(q−1)q)⟨JMk(q−1)|J′M′⟩+√J(J+1)−(M−1)M⟨J(M−1)kq|J′M′⟩]Tkq|JM⟩ が得られます。 最後の行ではqおよびMを1つずつずらしました。 ここで、かっこ内にクレプシュ・ゴルダン係数に関する漸化式 √j(j+1)−m(m+1)⟨j1m1j2m2|j(m+1)⟩=√j1(j1+1)–(m1−1)m1⟨j1(m1−1)j2m2|jm⟩+√j2(j2+1)–(m2−1)m2⟨j1m1j2(m2−1)|jm⟩ を適用すると、J+|AJ′M′⟩=√J′(J′+1)–M′(M′+1)∑Mq⟨JMkq|J′(M′+1)⟩Tkq|JM⟩=√J′(J′+1)–M′(M′+1)|AJ′(M′+1)⟩ が得られます。 同じような計算で、 J−|AJ′M′⟩=√J′(J′+1)–M′(M′−1)|AJ′(M′−1)⟩Jz|AJ′M′⟩=M′|AJ′M′⟩ が成り立つことがわかります。
以上の結果から、|AJ′M′⟩ は角運動量 (J′,M′) を持つ (規格化されていない) 固有関数である (さもなくば恒等的に0である) ことがわかります。 したがって、内積に関して ⟨J”M”|AJ′M′⟩=Ck(J”,J′)δJ”J′δM”M′ が成り立ちます。 ここで、定数 Ck はM”およびM′に依存しません。 もし依存したとするなら、昇降演算子によってM′を変化させるときに余分な定数が出てくるので、上述の関係式が成り立たなくなってしまいます。 よって、⟨J”M”|Tkq|JM⟩=∑J′M′Ck(J”,J′)δJ”J′δM”M′⟨JMkq|J′M′⟩=Ck(J”,J)⟨JMkq|J”M”⟩ が成り立ち、Ck(J”,J)√2J”+1=⟨J”||Tk||J⟩ を縮約行列要素と呼びます。
まとめ
この記事では、ウィグナー・エッカルトの定理の証明について書きました。 既約テンソル演算子に対しては、クレプシュ・ゴルダン係数の漸化式をうまく使うことができるため、このような美しい定理が成り立ちます。 ウィグナー・エッカルトの応用については、拙ブログの過去記事を参照してください。
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