Ну, во-первых, у Вас тут не оператор момента импульса, а его проекция на ось

. Квадрат оператора момента импульса представляет собой(с точностью до множителя) оператор Лапласа на единичной сфере. Это задача, несмотря на полную свою математичность, ближе к физике. Оператор момента импульса подробно разбирается в квантовой механике(трехмерные задачи).