If S๐“ and S๐“ are spin-1 operators in the z basis, what are the results if S๐“ (S๐“ + ฤง)(S๐“ - ฤง) and S๐“ (S๐“ + ฤง)(S๐“ - ฤง) are evaluated? 

The spin eigenstates and eigenvalues are known from experiment for a spin-1 system, and the spin-z and spin-x operators in the z basis, S๐“ and S๐“, have the following matrix representations:


S๐“ โ‰
      ฤง โŽ› 1 0  0 โŽž
        โŽœ 0 0  0 โŽŸ and
        โŽ 0 0 -1 โŽ 
S๐“ โ‰
      อŸฤงอŸ  โŽ› 0 1 0 โŽž
      โˆš2 โŽœ 1 0 1 โŽŸ.
         โŽ 0 1 0 โŽ 

Using the matrix representations, the expressions can be evaluated. For the spin-z operator, the expression S๐“ (S๐“ + ฤง)(S๐“ - ฤง) โ‰

    ฤง โŽ› 1 0  0 โŽž โŽง ฤง โŽ› 1 0  0 โŽž     ฤง โŽ› 1 0 0 โŽž โŽซ โŽง ฤง โŽ› 1 0  0 โŽž    ฤง โŽ› 1 0 0 โŽž โŽซ  
      โŽœ 0 0  0 โŽŸ โŽช   โŽœ 0 0  0 โŽŸ  +    โŽœ 0 1 0 โŽŸ โŽช โŽช   โŽœ 0 0  0 โŽŸ  -   โŽœ 0 1 0 โŽŸ โŽช,
      โŽ 0 0 -1 โŽ  โŽฉ   โŽ 0 0 -1 โŽ        โŽ 0 0 1 โŽ  โŽญ โŽฉ   โŽ 0 0 -1 โŽ       โŽ 0 0 1 โŽ  โŽญ  

which simplifies to the matrix multiplication operation, where ๐Ÿ˜ represents the 0 matrix,

    ฤง โŽ› 1 0  0 โŽž ฤง โŽ› 2 0 0 โŽž ฤง โŽ› 0  0 0 โŽž 
      โŽœ 0 0  0 โŽŸ   โŽœ 0 1 0 โŽŸ   โŽœ 0 -1 0 โŽŸ = ๐Ÿ˜. 
      โŽ 0 0 -1 โŽ    โŽ 0 0 0 โŽ    โŽ 0  0 0 โŽ  

The multiplication operation apparently returns ๐Ÿ˜ because the third factor will nullify any terms besides center terms, and the first factor will nullify any center terms.

Similarly, S๐“ (S๐“ + ฤง)(S๐“ - ฤง) โ‰

   อŸฤงอŸ   โŽ› 0 1 0 โŽž อŸฤงอŸ  โŽ› โˆš2  1  0  โŽž อŸฤงอŸ  โŽ› -โˆš2   1   0 โŽž 
   โˆš2  โŽœ 1 0 1 โŽŸ โˆš2 โŽœ  1 โˆš2  1  โŽŸ โˆš2 โŽœ   1 -โˆš2   1 โŽŸ.
       โŽ 0 1 0 โŽ     โŽ  0  1 โˆš2  โŽ     โŽ   0   1 -โˆš2 โŽ  

Performing the multiplication operation on the last two matrices returns the expression

  อŸฤงอŸยณอŸ   โŽ› 0 1 0 โŽž โŽ› -1  0  1 โŽž
   2โˆš2 โŽœ 1 0 1 โŽŸ โŽœ  0  0  0 โŽŸ = ๐Ÿ˜.
       โŽ 0 1 0 โŽ  โŽ  1  0 -1 โŽ 

It is quite obvious that this operation returns ๐Ÿ˜ since there are no components that will not match with a 0 throughout the multiplication of these matrices. Therefore, the second expression is also equivalent to the zero matrix ๐Ÿ˜.