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1 #LyX 2.4 created this file. For more info see https://www.lyx.org/
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96 \begin_layout Section
97 Finite systems
98 \end_layout
100 \begin_layout Subsection
101 Motivation/intro
102 \end_layout
104 \begin_layout Standard
105 The basic idea of MSTMM is quite simple: the driving electromagnetic field
106  incident onto a scatterer is expanded into a vector spherical wavefunction
107  (VSWF) basis in which the single scattering problem is solved, and the
108  scattered field is then re-expanded into VSWFs centered at the other scatterers.
109  Repeating the same procedure with all (pairs of) scatterers yields a set
110  of linear equations, solution of which gives the coefficients of the scattered
111  field in the VSWF bases.
112  Once these coefficients have been found, one can evaluate various quantities
113  related to the scattering (such as cross sections or the scattered fields)
114  quite easily.
116 \end_layout
118 \begin_layout Standard
119 The expressions appearing in the re-expansions are fairly complicated, and
120  the implementation of MSTMM is extremely error-prone also due to the various
121  conventions used in the literature.
122  Therefore although we do not re-derive from scratch the expressions that
123  can be found elsewhere in literature, we always state them explicitly in
124  our convention.
125 \end_layout
127 \begin_layout Subsection
128 Single-particle scattering
129 \end_layout
131 \begin_layout Standard
132 In order to define the basic concepts, let us first consider the case of
133  EM radiation scattered by a single particle.
134  We assume that the scatterer lies inside a closed sphere 
135 \begin_inset Formula $\particle$
136 \end_inset
138 , the space outside this volume 
139 \begin_inset Formula $\medium$
140 \end_inset
142  is filled with an homogeneous isotropic medium with relative electric permittiv
143 ity 
144 \begin_inset Formula $\epsilon(\vect r,\omega)=\epsbg(\omega)$
145 \end_inset
147  and magnetic permeability 
148 \begin_inset Formula $\mu(\vect r,\omega)=\mubg(\omega)$
149 \end_inset
151 , and that the whole system is linear, i.e.
152  the material properties of neither the medium nor the scatterer depend
153  on field intensities.
154  Under these assumptions, the EM fields 
155 \begin_inset Formula $\vect{\Psi}=\vect E,\vect H$
156 \end_inset
158  in 
159 \begin_inset Formula $\medium$
160 \end_inset
162  must satisfy the homogeneous vector Helmholtz equation together with the
163  transversality condition 
164 \begin_inset Formula 
165 \begin{equation}
166 \left(\nabla^{2}+k^{2}\right)\Psi\left(\vect r,\vect{\omega}\right)=0,\quad\nabla\cdot\vect{\Psi}\left(\vect r,\vect{\omega}\right)=0\label{eq:Helmholtz eq}
167 \end{equation}
169 \end_inset
172 \begin_inset Note Note
173 status open
175 \begin_layout Plain Layout
176 frequency-space Maxwell's equations
177 \begin_inset Formula 
178 \begin{align*}
179 \nabla\times\vect E\left(\vect r,\omega\right)-ik\eta_{0}\eta\vect H\left(\vect r,\omega\right) & =0,\\
180 \eta_{0}\eta\nabla\times\vect H\left(\vect r,\omega\right)+ik\vect E\left(\vect r,\omega\right) & =0.
181 \end{align*}
183 \end_inset
186 \end_layout
188 \end_inset
191 \begin_inset Note Note
192 status open
194 \begin_layout Plain Layout
195 todo define 
196 \begin_inset Formula $\Psi$
197 \end_inset
199 , mention transversality
200 \end_layout
202 \end_inset
204  with 
205 \begin_inset Formula $k=k\left(\omega\right)=\omega\sqrt{\mubg(\omega)\epsbg(\omega)}/c_{0}$
206 \end_inset
208 , as can be derived from the Maxwell's equations 
209 \begin_inset CommandInset citation
210 LatexCommand cite
211 after "???"
212 key "jackson_classical_1998"
213 literal "false"
215 \end_inset
219 \end_layout
221 \begin_layout Subsubsection
222 Spherical waves
223 \end_layout
225 \begin_layout Standard
226 Equation 
227 \begin_inset CommandInset ref
228 LatexCommand ref
229 reference "eq:Helmholtz eq"
230 plural "false"
231 caps "false"
232 noprefix "false"
234 \end_inset
236  can be solved by separation of variables in spherical coordinates to give
237  the solutions – the 
238 \emph on
239 regular
240 \emph default
241  and 
242 \emph on
243 outgoing
244 \emph default
245  vector spherical wavefunctions (VSWFs) 
246 \begin_inset Formula $\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\vect r\right)$
247 \end_inset
249  and 
250 \begin_inset Formula $\vswfouttlm{\tau}lm\left(k\vect r\right)$
251 \end_inset
253 , respectively, defined as follows:
254 \begin_inset Formula 
255 \begin{align}
256 \vswfrtlm 1lm\left(k\vect r\right) & =j_{l}\left(kr\right)\vsh 1lm\left(\uvec r\right),\nonumber \\
257 \vswfrtlm 2lm\left(k\vect r\right) & =\frac{1}{kr}\frac{\ud\left(krj_{l}\left(kr\right)\right)}{\ud\left(kr\right)}\vsh 2lm\left(\uvec r\right)+\sqrt{l\left(l+1\right)}\frac{j_{l}\left(kr\right)}{kr}\vsh 3lm\left(\uvec r\right),\label{eq:VSWF regular}
258 \end{align}
260 \end_inset
263 \begin_inset Formula 
264 \begin{align}
265 \vswfouttlm 1lm\left(k\vect r\right) & =h_{l}^{\left(1\right)}\left(kr\right)\vsh 1lm\left(\uvec r\right),\nonumber \\
266 \vswfouttlm 2lm\left(k\vect r\right) & =\frac{1}{kr}\frac{\ud\left(krh_{l}^{\left(1\right)}\left(kr\right)\right)}{\ud\left(kr\right)}\vsh 2lm\left(\uvec r\right)+\sqrt{l\left(l+1\right)}\frac{h_{l}^{\left(1\right)}\left(kr\right)}{kr}\vsh 3lm\left(\uvec r\right),\label{eq:VSWF outgoing}\\
267  & \tau=1,2;\quad l=1,2,3,\dots;\quad m=-l,-l+1,\dots,+l,\nonumber 
268 \end{align}
270 \end_inset
272 where 
273 \begin_inset Formula $\vect r=r\uvec r$
274 \end_inset
277 \begin_inset Formula $j_{l}\left(x\right),h_{l}^{\left(1\right)}\left(x\right)=j_{l}\left(x\right)+iy_{l}\left(x\right)$
278 \end_inset
280  are the regular spherical Bessel function and spherical Hankel function
281  of the first kind, respectively, as in [DLMF §10.47], and 
282 \begin_inset Formula $\vsh{\tau}lm$
283 \end_inset
285  are the 
286 \emph on
287 vector spherical harmonics
288 \emph default
290 \begin_inset Formula 
291 \begin{align}
292 \vsh 1lm\left(\uvec r\right) & =\frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\nabla\times\left(\vect r\ush lm\left(\uvec r\right)\right)=\frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\nabla\ush lm\left(\uvec r\right)\times\vect r,\nonumber \\
293 \vsh 2lm\left(\uvec r\right) & =\frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}r\nabla\ush lm\left(\uvec r\right),\nonumber \\
294 \vsh 3lm\left(\uvec r\right) & =\uvec r\ush lm\left(\uvec r\right).\label{eq:vector spherical harmonics definition}
295 \end{align}
297 \end_inset
299 In our convention, the (scalar) spherical harmonics 
300 \begin_inset Formula $\ush lm$
301 \end_inset
303  are identical to those in [DLMF 14.30.1], i.e.
304 \begin_inset Formula 
306 \ush lm=\left(\frac{\left(l-m\right)!\left(2l+1\right)}{4\pi\left(l+m\right)!}\right)^{\frac{1}{2}}e^{im\phi}\dlmfFer lm\left(\cos\theta\right)
309 \end_inset
311 where importantly, the Ferrers functions 
312 \begin_inset Formula $\dlmfFer lm$
313 \end_inset
315  defined as in [DLMF §14.3(i)] do already contain the Condon-Shortley phase
317 \begin_inset Formula $\left(-1\right)^{m}$
318 \end_inset
321 \begin_inset Note Note
322 status open
324 \begin_layout Plain Layout
325 TODO názornější definice.
326 \end_layout
328 \end_inset
331 \end_layout
333 \begin_layout Standard
334 The convention for VSWFs used here is the same as in 
335 \begin_inset CommandInset citation
336 LatexCommand cite
337 key "kristensson_spherical_2014"
338 literal "false"
340 \end_inset
342 ; over other conventions used elsewhere in literature, it has several fundamenta
343 l advantages – most importantly, the translation operators introduced later
344  in eq.
346 \begin_inset CommandInset ref
347 LatexCommand ref
348 reference "eq:translation op def"
349 plural "false"
350 caps "false"
351 noprefix "false"
353 \end_inset
355  are unitary, and it gives the simplest possible expressions for power transport
356  and cross sections without additional 
357 \begin_inset Formula $l,m$
358 \end_inset
360 -dependent factors (for that reason, we also call our VSWFs as 
361 \emph on
362 power-normalised
363 \emph default
365  Power-normalisation and unitary translation operators are possible to achieve
366  also with real spherical harmonics – such a convention is used in 
367 \begin_inset CommandInset citation
368 LatexCommand cite
369 key "kristensson_scattering_2016"
370 literal "false"
372 \end_inset
375 \end_layout
377 \begin_layout Standard
378 \begin_inset Note Note
379 status open
381 \begin_layout Plain Layout
382 Its solutions (TODO under which conditions? What vector space do the SVWFs
383  actually span? Check Comment 9.2 and Appendix f.9.1 in Kristensson)
384 \end_layout
386 \end_inset
389 \end_layout
391 \begin_layout Standard
392 \begin_inset Note Note
393 status open
395 \begin_layout Plain Layout
396 TODO small note about cartesian multipoles, anapoles etc.
397  (There should be some comparing paper that the Russians at META 2018 mentioned.)
398 \end_layout
400 \end_inset
403 \end_layout
405 \begin_layout Subsubsection
406 T-matrix definition
407 \end_layout
409 \begin_layout Standard
410 The regular VSWFs 
411 \begin_inset Formula $\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\vect r\right)$
412 \end_inset
414  constitute a basis for solutions of the Helmholtz equation 
415 \begin_inset CommandInset ref
416 LatexCommand eqref
417 reference "eq:Helmholtz eq"
418 plural "false"
419 caps "false"
420 noprefix "false"
422 \end_inset
424  inside a ball 
425 \begin_inset Formula $\openball 0{R^{>}}$
426 \end_inset
428  with radius 
429 \begin_inset Formula $R^{>}$
430 \end_inset
432  and center in the origin; however, if the equation is not guaranteed to
433  hold inside a smaller ball 
434 \begin_inset Formula $B_{0}\left(R\right)$
435 \end_inset
437  around the origin (typically due to presence of a scatterer), one has to
438  add the outgoing VSWFs 
439 \begin_inset Formula $\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\vect r\right)$
440 \end_inset
442  to have a complete basis of the solutions in the volume 
443 \begin_inset Formula $\openball 0{R^{>}}\backslash B_{0}\left(R\right)$
444 \end_inset
447 \begin_inset Note Note
448 status open
450 \begin_layout Plain Layout
451 Vnitřní koule uzavřená? Jak se řekne mezikulí anglicky?
452 \end_layout
454 \end_inset
457 \end_layout
459 \begin_layout Standard
460 The single-particle scattering problem at frequency 
461 \begin_inset Formula $\omega$
462 \end_inset
464  can be posed as follows: Let a scatterer be enclosed inside the ball 
465 \begin_inset Formula $B_{0}\left(R\right)$
466 \end_inset
468  and let the whole volume 
469 \begin_inset Formula $\openball 0{R^{>}}\backslash B_{0}\left(R\right)$
470 \end_inset
472  be filled with a homogeneous isotropic medium with wave number 
473 \begin_inset Formula $k\left(\omega\right)$
474 \end_inset
477  Inside this volume, the electric field can be expanded as
478 \begin_inset Note Note
479 status open
481 \begin_layout Plain Layout
482 doplnit frekvence a polohy
483 \end_layout
485 \end_inset
488 \begin_inset Formula 
489 \begin{equation}
490 \vect E\left(\omega,\vect r\right)=\sum_{\tau=1,2}\sum_{l=1}^{\infty}\sum_{m=-l}^{+l}\left(\rcoefftlm{\tau}lm\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\vect r\right)+\outcoefftlm{\tau}lm\vswfouttlm{\tau}lm\left(k\vect r\right)\right).\label{eq:E field expansion}
491 \end{equation}
493 \end_inset
495 If there was no scatterer and 
496 \begin_inset Formula $B_{0}\left(R_{<}\right)$
497 \end_inset
499  was filled with the same homogeneous medium, the part with the outgoing
500  VSWFs would vanish and only the part 
501 \begin_inset Formula $\vect E_{\mathrm{inc}}=\sum_{\tau lm}\rcoefftlm{\tau}lm\vswfrtlm{\tau}lm$
502 \end_inset
504  due to sources outside 
505 \begin_inset Formula $\openball 0R$
506 \end_inset
508  would remain.
509  Let us assume that the 
510 \begin_inset Quotes eld
511 \end_inset
513 driving field
514 \begin_inset Quotes erd
515 \end_inset
517  is given, so that presence of the scatterer does not affect 
518 \begin_inset Formula $\vect E_{\mathrm{inc}}$
519 \end_inset
521  and is fully manifested in the latter part, 
522 \begin_inset Formula $\vect E_{\mathrm{scat}}=\sum_{\tau lm}\outcoefftlm{\tau}lm\vswfouttlm{\tau}lm$
523 \end_inset
526  We also assume that the scatterer is made of optically linear materials,
527  and hence reacts on the incident field in a linear manner.
528  This gives a linearity constraint between the expansion coefficients
529 \begin_inset Formula 
530 \begin{equation}
531 \outcoefftlm{\tau}lm=\sum_{\tau'l'm'}T_{\tau lm}^{\tau'l'm'}\rcoefftlm{\tau'}{l'}{m'}\label{eq:T-matrix definition}
532 \end{equation}
534 \end_inset
536 where the 
537 \begin_inset Formula $T_{\tau lm}^{\tau'l'm'}=T_{\tau lm}^{\tau'l'm'}\left(\omega\right)$
538 \end_inset
540  are the elements of the 
541 \emph on
542 transition matrix,
543 \emph default
544  a.k.a.
546 \begin_inset Formula $T$
547 \end_inset
549 -matrix.
550  It completely describes the scattering properties of a linear scatterer,
551  so with the knowledge of the 
552 \begin_inset Formula $T$
553 \end_inset
555 -matrix, we can solve the single-patricle scatering prroblem simply by substitut
556 ing appropriate expansion coefficients 
557 \begin_inset Formula $\rcoefftlm{\tau'}{l'}{m'}$
558 \end_inset
560  of the driving field into 
561 \begin_inset CommandInset ref
562 LatexCommand eqref
563 reference "eq:T-matrix definition"
564 plural "false"
565 caps "false"
566 noprefix "false"
568 \end_inset
571  The outgoing VSWF expansion coefficients 
572 \begin_inset Formula $\outcoefftlm{\tau}lm$
573 \end_inset
575  are the effective induced electric (
576 \begin_inset Formula $\tau=2$
577 \end_inset
579 ) and magnetic (
580 \begin_inset Formula $\tau=1$
581 \end_inset
583 ) multipole polarisation amplitudes of the scatterer, and this is why we
584  sometimes refer to the corresponding VSWFs as the electric and magnetic
585  VSWFs.
587 \begin_inset Note Note
588 status open
590 \begin_layout Plain Layout
591 TODO mention the pseudovector character of magnetic VSWFs.
592 \end_layout
594 \end_inset
597 \end_layout
599 \begin_layout Standard
600 \begin_inset Note Note
601 status open
603 \begin_layout Plain Layout
604 TOOD H-field expansion here?
605 \end_layout
607 \end_inset
610 \end_layout
612 \begin_layout Standard
613 \begin_inset Formula $T$
614 \end_inset
616 -matrices of particles with certain simple geometries (most famously spherical)
617  can be obtained analytically 
618 \begin_inset CommandInset citation
619 LatexCommand cite
620 key "kristensson_scattering_2016,mie_beitrage_1908"
621 literal "false"
623 \end_inset
625 , but in general one can find them numerically by simulating scattering
626  of a regular spherical wave 
627 \begin_inset Formula $\vswfouttlm{\tau}lm$
628 \end_inset
630  and projecting the scattered fields (or induced currents, depending on
631  the method) onto the outgoing VSWFs 
632 \begin_inset Formula $\vswfrtlm{\tau}{'l'}{m'}$
633 \end_inset
636  In practice, one can compute only a finite number of elements with a cut-off
637  value 
638 \begin_inset Formula $L$
639 \end_inset
641  on the multipole degree, 
642 \begin_inset Formula $l,l'\le L$
643 \end_inset
645 , see below.
646  We typically use the scuff-tmatrix tool from the free software SCUFF-EM
647  suite 
648 \begin_inset CommandInset citation
649 LatexCommand cite
650 key "reid_efficient_2015,SCUFF2"
651 literal "false"
653 \end_inset
656  Note that older versions of SCUFF-EM contained a bug that rendered almost
657  all 
658 \begin_inset Formula $T$
659 \end_inset
661 -matrix results wrong; we found and fixed the bug and from upstream version
662  xxx onwards, it should behave correctly.
664 \end_layout
666 \begin_layout Subsubsection
667 T-matrix compactness, cutoff validity
668 \end_layout
670 \begin_layout Standard
671 The magnitude of the 
672 \begin_inset Formula $T$
673 \end_inset
675 -matrix elements depends heavily on the scatterer's size compared to the
676  wavelength.
677  Fortunately, the 
678 \begin_inset Formula $T$
679 \end_inset
681 -matrix of a bounded scatterer is a compact operator [REF???], so from certain
682  multipole degree onwards, 
683 \begin_inset Formula $l,l'>L$
684 \end_inset
686 , the elements of the 
687 \begin_inset Formula $T$
688 \end_inset
690 -matrix are negligible, so truncating the 
691 \begin_inset Formula $T$
692 \end_inset
694 -matrix at finite multipole degree 
695 \begin_inset Formula $L$
696 \end_inset
698  gives a good approximation of the actual infinite-dimensional itself.
699  If the incident field is well-behaved, i.e.
700  the expansion coefficients 
701 \begin_inset Formula $\rcoefftlm{\tau'}{l'}{m'}$
702 \end_inset
704  do not take excessive values for 
705 \begin_inset Formula $l'>L$
706 \end_inset
708 , the scattered field expansion coefficients 
709 \begin_inset Formula $\outcoefftlm{\tau}lm$
710 \end_inset
712  with 
713 \begin_inset Formula $l>L$
714 \end_inset
716  will also be negligible.
717 \begin_inset Note Note
718 status open
720 \begin_layout Plain Layout
721 TODO when it will not be negligible
722 \end_layout
724 \end_inset
727 \end_layout
729 \begin_layout Standard
730 A rule of thumb to choose the 
731 \begin_inset Formula $L$
732 \end_inset
734  with desired 
735 \begin_inset Formula $T$
736 \end_inset
738 -matrix element accuracy 
739 \begin_inset Formula $\delta$
740 \end_inset
742  can be obtained from the spherical Bessel function expansion around zero,
743  TODO.
745 \end_layout
747 \begin_layout Subsubsection
748 Power transport
749 \end_layout
751 \begin_layout Standard
752 For convenience, let us introduce a short-hand matrix notation for the expansion
753  coefficients and related quantities, so that we do not need to write the
754  indices explicitly; so for example, eq.
756 \begin_inset CommandInset ref
757 LatexCommand eqref
758 reference "eq:T-matrix definition"
759 plural "false"
760 caps "false"
761 noprefix "false"
763 \end_inset
765  would be written as 
766 \begin_inset Formula $\outcoeffp{}=T\rcoeffp{}$
767 \end_inset
769 , where 
770 \begin_inset Formula $\rcoeffp{},\outcoeffp{}$
771 \end_inset
773  are column vectors with the expansion coefficients.
774  Transposed and complex-conjugated matrices are labeled with the 
775 \begin_inset Formula $\dagger$
776 \end_inset
778  superscript.
779 \end_layout
781 \begin_layout Standard
782 With this notation, we state an important result about power transport,
783  derivation of which can be found in 
784 \begin_inset CommandInset citation
785 LatexCommand cite
786 after "sect. 7.3"
787 key "kristensson_scattering_2016"
788 literal "true"
790 \end_inset
793  Let the field in 
794 \begin_inset Formula $\openball 0{R^{>}}\backslash B_{0}\left(R\right)$
795 \end_inset
797  have expansion as in 
798 \begin_inset CommandInset ref
799 LatexCommand eqref
800 reference "eq:E field expansion"
801 plural "false"
802 caps "false"
803 noprefix "false"
805 \end_inset
808  Then the net power transported from 
809 \begin_inset Formula $B_{0}\left(R\right)$
810 \end_inset
812  to 
813 \begin_inset Formula $\openball 0{R^{>}}\backslash B_{0}\left(R\right)$
814 \end_inset
816  via by electromagnetic radiation is
817 \begin_inset Formula 
818 \begin{equation}
819 P=\frac{1}{2k^{2}\eta_{0}\eta}\left(\Re\left(\rcoeffp{}^{\dagger}\outcoeffp{}\right)+\left\Vert \outcoeffp{}\right\Vert ^{2}\right)=\frac{1}{2k^{2}\eta_{0}\eta}\rcoeffp{}^{\dagger}\left(\Tp{}^{\dagger}\Tp{}+\frac{\Tp{}^{\dagger}+\Tp{}}{2}\right)\rcoeffp{}.\label{eq:Power transport}
820 \end{equation}
822 \end_inset
824 In realistic scattering setups, power is transferred by radiation into 
825 \begin_inset Formula $B_{0}\left(R\right)$
826 \end_inset
828  and absorbed by the enclosed scatterer, so 
829 \begin_inset Formula $P$
830 \end_inset
832  is negative and its magnitude equals to power absorbed by the scatterer.
833 \end_layout
835 \begin_layout Subsubsection
836 Plane wave expansion
837 \end_layout
839 \begin_layout Standard
840 In many scattering problems considered in practice, the driving field is
841  a plane wave.
842  A transversal (
843 \begin_inset Formula $\vect k\cdot\vect E_{0}=0$
844 \end_inset
846 ) plane wave propagating in direction 
847 \begin_inset Formula $\uvec k$
848 \end_inset
850  with (complex) amplitude 
851 \begin_inset Formula $\vect E_{0}$
852 \end_inset
854  can be expanded into regular VSWFs 
855 \begin_inset CommandInset citation
856 LatexCommand cite
857 after "7.???"
858 key "kristensson_scattering_2016"
859 literal "false"
861 \end_inset
863  as
864 \begin_inset Formula 
866 \vect E_{\mathrm{PW}}\left(\vect r,\omega\right)=\vect E_{0}e^{ik\uvec k\cdot\vect r}=\sum_{\tau,l,m}\rcoeffptlm{}{\tau}lm\left(\vect k,\vect E_{0}\right)\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\vect r\right),
869 \end_inset
871 with expansion coefficients
872 \begin_inset Formula 
873 \begin{eqnarray}
874 \rcoeffptlm{}1lm\left(\vect k,\vect E_{0}\right) & = & 4\pi i^{l}\vshD 1lm\left(\uvec k\right),\nonumber \\
875 \rcoeffptlm{}2lm\left(\vect k,\vect E_{0}\right) & = & -4\pi i^{l+1}\vshD 2lm\left(\uvec k\right).\label{eq:plane wave expansion}
876 \end{eqnarray}
878 \end_inset
880 where 
881 \begin_inset Formula $\vshD{\tau}lm$
882 \end_inset
884  are the 
885 \begin_inset Quotes eld
886 \end_inset
888 dual
889 \begin_inset Quotes erd
890 \end_inset
892  vector spherical harmonics defined by duality relation with the 
893 \begin_inset Quotes eld
894 \end_inset
896 usual
897 \begin_inset Quotes erd
898 \end_inset
900  vector spherical harmonics 
901 \begin_inset Formula 
902 \begin{equation}
903 \iint\vshD{\tau'}{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\cdot\vsh{\tau}lm\left(\uvec r\right)\,\ud\Omega=\delta_{\tau'\tau}\delta_{l'l}\delta_{m'm}\label{eq:dual vsh}
904 \end{equation}
906 \end_inset
908 (complex conjugation not implied in the dot product here).
909  In our convention, we have
910 \begin_inset Formula 
912 \vshD{\tau}lm\left(\uvec r\right)=\left(\vsh{\tau}lm\left(\uvec r\right)\right)^{*}=\left(-1\right)^{m}\vsh{\tau}{l-}m\left(\uvec r\right).
915 \end_inset
918 \end_layout
920 \begin_layout Subsubsection
921 Cross-sections (single-particle)
922 \end_layout
924 \begin_layout Standard
925 With the 
926 \begin_inset Formula $T$
927 \end_inset
929 -matrix and expansion coefficients of plane waves in hand, we can state
930  the expressions for cross-sections of a single scatterer.
931  Assuming a non-lossy background medium, extinction, scattering and absorption
932  cross sections of a single scatterer irradiated by a plane wave propagating
933  in direction 
934 \begin_inset Formula $\uvec k$
935 \end_inset
937  and (complex) amplitude 
938 \begin_inset Formula $\vect E_{0}$
939 \end_inset
941  are 
942 \begin_inset CommandInset citation
943 LatexCommand cite
944 after "sect. 7.8.2"
945 key "kristensson_scattering_2016"
946 literal "true"
948 \end_inset
951 \begin_inset Formula 
952 \begin{eqnarray}
953 \sigma_{\mathrm{ext}}\left(\uvec k\right) & = & -\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\Re\left(\rcoeffp{}^{\dagger}\outcoeffp{}\right)=-\frac{1}{2k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\rcoeffp{}^{\dagger}\left(\Tp{}+\Tp{}^{\dagger}\right)\rcoeffp{},\label{eq:extincion CS single}\\
954 \sigma_{\mathrm{scat}}\left(\uvec k\right) & = & \frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\left\Vert \outcoeffp{}\right\Vert ^{2}=\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\rcoeffp{}^{\dagger}\left(\Tp{}^{\dagger}\Tp{}\right)\rcoeffp{},\label{eq:scattering CS single}\\
955 \sigma_{\mathrm{abs}}\left(\uvec k\right) & = & \sigma_{\mathrm{ext}}\left(\uvec k\right)-\sigma_{\mathrm{scat}}\left(\uvec k\right)=-\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\left(\Re\left(\rcoeffp{}^{\dagger}\outcoeffp{}\right)+\left\Vert \outcoeffp{}\right\Vert ^{2}\right)\nonumber \\
956  &  & =\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\rcoeffp{}^{\dagger}\left(\Tp{}^{\dagger}\Tp{}+\frac{\Tp{}^{\dagger}+\Tp{}}{2}\right)\rcoeffp{},\label{eq:absorption CS single}
957 \end{eqnarray}
959 \end_inset
961 where 
962 \begin_inset Formula $\rcoeffp{}=\rcoeffp{}\left(\vect k,\vect E_{0}\right)$
963 \end_inset
965  is the vector of plane wave expansion coefficients as in 
966 \begin_inset CommandInset ref
967 LatexCommand eqref
968 reference "eq:plane wave expansion"
970 \end_inset
974 \end_layout
976 \begin_layout Subsection
977 Multiple scattering
978 \begin_inset CommandInset label
979 LatexCommand label
980 name "subsec:Multiple-scattering"
982 \end_inset
985 \end_layout
987 \begin_layout Standard
988 If the system consists of multiple scatterers, the EM fields around each
989  one can be expanded in analogous way.
990  Let 
991 \begin_inset Formula $\mathcal{P}$
992 \end_inset
994  be an index set labeling the scatterers.
995  We enclose each scatterer in a ball 
996 \begin_inset Formula $B_{\vect r_{p}}\left(R_{p}\right)$
997 \end_inset
999  such that the balls do not touch, 
1000 \begin_inset Formula $B_{\vect r_{p}}\left(R_{p}\right)\cap B_{\vect r_{q}}\left(R_{q}\right)=\emptyset;p,q\in\mathcal{P}$
1001 \end_inset
1004 \begin_inset Note Note
1005 status open
1007 \begin_layout Plain Layout
1008 TODO bacha, musejí být uzavřené!
1009 \end_layout
1011 \end_inset
1013 so there is a non-empty volume
1014 \begin_inset Note Note
1015 status open
1017 \begin_layout Plain Layout
1018 jaksetometuje?
1019 \end_layout
1021 \end_inset
1024 \begin_inset Formula $\openball{\vect r_{p}}{R_{p}^{>}}\backslash B_{\vect r_{p}}\left(R_{p}\right)$
1025 \end_inset
1027  around each one that contains only the background medium without any scatterers.
1028  Then the EM field inside each such volume can be expanded in a way similar
1029  to 
1030 \begin_inset CommandInset ref
1031 LatexCommand eqref
1032 reference "eq:E field expansion"
1033 plural "false"
1034 caps "false"
1035 noprefix "false"
1037 \end_inset
1039 , using VSWFs with origins shifted to the centre of the volume:
1040 \begin_inset Formula 
1041 \begin{align}
1042 \vect E\left(\omega,\vect r\right) & =\sum_{\tau=1,2}\sum_{l=1}^{\infty}\sum_{m=-l}^{+l}\left(\rcoeffptlm p{\tau}lm\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\left(\vect r-\vect r_{p}\right)\right)+\outcoeffptlm p{\tau}lm\vswfouttlm{\tau}lm\left(k\left(\vect r-\vect r_{p}\right)\right)\right),\label{eq:E field expansion multiparticle}\\
1043  & \vect r\in\openball{\vect r_{p}}{R_{p}^{>}}\backslash B_{\vect r_{p}}\left(R_{p}\right).\nonumber 
1044 \end{align}
1046 \end_inset
1048 Unlike the single scatterer case, the incident field coefficients 
1049 \begin_inset Formula $\rcoeffptlm p{\tau}lm$
1050 \end_inset
1052  here are not only due to some external driving field that the particle
1053  does not influence but they also contain the contributions of fields scattered
1054  from 
1055 \emph on
1056 all other scatterers
1057 \emph default
1059 \begin_inset Formula 
1060 \begin{equation}
1061 \rcoeffp p=\rcoeffincp p+\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\tropsp pq\outcoeffp q\label{eq:particle total incident field coefficient a}
1062 \end{equation}
1064 \end_inset
1066 where 
1067 \begin_inset Formula $\rcoeffincp p$
1068 \end_inset
1070  represents the part due to the external driving that the scatterers can
1071  not influence, and 
1072 \begin_inset Formula $\tropsp pq$
1073 \end_inset
1075  is a 
1076 \emph on
1077 translation operator
1078 \emph default
1079  defined below in Sec.
1081 \begin_inset CommandInset ref
1082 LatexCommand ref
1083 reference "subsec:Translation-operator"
1084 plural "false"
1085 caps "false"
1086 noprefix "false"
1088 \end_inset
1090 , that contains the re-expansion coefficients of the outgoing waves in origin
1092 \begin_inset Formula $\vect r_{q}$
1093 \end_inset
1095  into regular waves in origin 
1096 \begin_inset Formula $\vect r_{p}$
1097 \end_inset
1100  For each scatterer, we also have its 
1101 \begin_inset Formula $T$
1102 \end_inset
1104 -matrix relation as in 
1105 \begin_inset CommandInset ref
1106 LatexCommand eqref
1107 reference "eq:T-matrix definition"
1108 plural "false"
1109 caps "false"
1110 noprefix "false"
1112 \end_inset
1115 \begin_inset Formula 
1117 \outcoeffp q=T_{q}\rcoeffp q.
1120 \end_inset
1122 Together with 
1123 \begin_inset CommandInset ref
1124 LatexCommand eqref
1125 reference "eq:particle total incident field coefficient a"
1126 plural "false"
1127 caps "false"
1128 noprefix "false"
1130 \end_inset
1132 , this gives rise to a set of linear equations
1133 \begin_inset Formula 
1134 \begin{equation}
1135 \outcoeffp p-T_{p}\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\tropsp pq\outcoeffp q=T_{p}\rcoeffincp p,\quad p\in\mathcal{P}\label{eq:Multiple-scattering problem}
1136 \end{equation}
1138 \end_inset
1140 which defines the multiple-scattering problem.
1141  If all the 
1142 \begin_inset Formula $p,q$
1143 \end_inset
1145 -indexed vectors and matrices (note that without truncation, they are infinite-d
1146 imensional) are arranged into blocks of even larger vectors and matrices,
1147  this can be written in a short-hand form
1148 \begin_inset Formula 
1149 \begin{equation}
1150 \left(I-T\trops\right)\outcoeff=T\rcoeffinc\label{eq:Multiple-scattering problem block form}
1151 \end{equation}
1153 \end_inset
1155 where 
1156 \begin_inset Formula $I$
1157 \end_inset
1159  is the identity matrix, 
1160 \begin_inset Formula $T$
1161 \end_inset
1163 is a block-diagonal matrix containing all the individual 
1164 \begin_inset Formula $T$
1165 \end_inset
1167 -matrices, and 
1168 \begin_inset Formula $\trops$
1169 \end_inset
1171  contains the individual 
1172 \begin_inset Formula $\tropsp pq$
1173 \end_inset
1175 matrices as the off-diagonal blocks, whereas the diagonal blocks are set
1176  to zeros.
1177 \end_layout
1179 \begin_layout Standard
1180 In practice, the multiple-scattering problem is solved in its truncated
1181  form, in which all the 
1182 \begin_inset Formula $l$
1183 \end_inset
1185 -indices related to a given scatterer 
1186 \begin_inset Formula $p$
1187 \end_inset
1189  are truncated as 
1190 \begin_inset Formula $l\le L_{p}$
1191 \end_inset
1193 , laeving only 
1194 \begin_inset Formula $N_{p}=2L_{p}\left(L_{p}+2\right)$
1195 \end_inset
1197  different 
1198 \begin_inset Formula $\tau lm$
1199 \end_inset
1201 -multiindices left.
1202  The truncation degree can vary for different scatterers (e.g.
1203  due to different physical sizes), so the truncated block 
1204 \begin_inset Formula $\tropsp pq$
1205 \end_inset
1207  has shape 
1208 \begin_inset Formula $N_{p}\times N_{q}$
1209 \end_inset
1211 , not necessarily square.
1213 \begin_inset Note Note
1214 status open
1216 \begin_layout Plain Layout
1217 Such truncation of the translation operator 
1218 \begin_inset Formula $\tropsp pq$
1219 \end_inset
1221  is justified by the fact on the left, TODO
1222 \end_layout
1224 \end_inset
1227 \end_layout
1229 \begin_layout Standard
1230 If no other type of truncation is done, there remain 
1231 \begin_inset Formula $2L_{p}\left(L_{p}+2\right)$
1232 \end_inset
1234  different 
1235 \begin_inset Formula $\tau lm$
1236 \end_inset
1238 -multiindices for 
1239 \begin_inset Formula $p$
1240 \end_inset
1242 -th scatterer, so that the truncated version of the matrix 
1243 \begin_inset Formula $\left(I-T\trops\right)$
1244 \end_inset
1246  is a square matrix with 
1247 \begin_inset Formula $\left(\sum_{p\in\mathcal{P}}N_{p}\right)^{2}$
1248 \end_inset
1250  elements in total.
1251  The truncated problem 
1252 \begin_inset CommandInset ref
1253 LatexCommand eqref
1254 reference "eq:Multiple-scattering problem block form"
1255 plural "false"
1256 caps "false"
1257 noprefix "false"
1259 \end_inset
1261  can then be solved using standard numerical linear algebra methods (typically,
1262  by LU factorisation of the 
1263 \begin_inset Formula $\left(I-T\trops\right)$
1264 \end_inset
1266  matrix at a given frequency, and then solving with Gauss elimination for
1267  as many different incident 
1268 \begin_inset Formula $\rcoeffinc$
1269 \end_inset
1271  vectors as needed).
1272 \end_layout
1274 \begin_layout Standard
1275 Alternatively, the multiple scattering problem can be formulated in terms
1276  of the regular field expansion coefficients,
1277 \begin_inset Formula 
1278 \begin{align*}
1279 \rcoeffp p-\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\tropsp pqT_{q}\rcoeffp q & =\rcoeffincp p,\quad p\in\mathcal{P},\\
1280 \left(I-\trops T\right)\rcoeff & =\rcoeffinc,
1281 \end{align*}
1283 \end_inset
1285 but this form is less suitable for numerical calculations due to the fact
1286  that the regular VSWF expansion coefficients on both sides of the equation
1287  are typically non-negligible even for large multipole degree 
1288 \begin_inset Formula $l$
1289 \end_inset
1291 , hence the truncation is not justified in this case.
1293 \begin_inset Note Note
1294 status open
1296 \begin_layout Plain Layout
1297 TODO less bulshit.
1298 \end_layout
1300 \end_inset
1303 \end_layout
1305 \begin_layout Subsubsection
1306 Translation operator
1307 \begin_inset CommandInset label
1308 LatexCommand label
1309 name "subsec:Translation-operator"
1311 \end_inset
1314 \end_layout
1316 \begin_layout Standard
1317 Let 
1318 \begin_inset Formula $\vect r_{1},\vect r_{2}$
1319 \end_inset
1321  be two different origins; a regular VSWF with origin 
1322 \begin_inset Formula $\vect r_{1}$
1323 \end_inset
1325  can be always expanded in terms of regular VSWFs with origin 
1326 \begin_inset Formula $\vect r_{2}$
1327 \end_inset
1329  as follows:
1330 \end_layout
1332 \begin_layout Standard
1333 \begin_inset Formula 
1334 \begin{equation}
1335 \vswfrtlm{\tau}lm\left(k\left(\vect r-\vect r_{1}\right)\right)=\sum_{\tau'l'm'}\tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(k\left(\vect r_{2}-\vect r_{1}\right)\right)\vswfrtlm{\tau'}{l'}{m'}\left(\vect r-\vect r_{2}\right),\label{eq:regular vswf translation}
1336 \end{equation}
1338 \end_inset
1340 where an explicit formula for the (regular) 
1341 \emph on
1342 translation operator
1343 \emph default
1345 \begin_inset Formula $\tropr$
1346 \end_inset
1348  reads in eq.
1350 \begin_inset CommandInset ref
1351 LatexCommand eqref
1352 reference "eq:translation operator"
1354 \end_inset
1356  below.
1357  For singular (outgoing) waves, the form of the expansion differs inside
1358  and outside the ball 
1359 \begin_inset Formula $\openball{\left\Vert \vect r_{2}-\vect r_{1}\right\Vert }{\vect r_{1}}:$
1360 \end_inset
1363 \begin_inset Formula 
1364 \begin{eqnarray}
1365 \vswfouttlm{\tau}lm\left(k\left(\vect r-\vect r_{1}\right)\right) & = & \begin{cases}
1366 \sum_{\tau'l'm'}\trops_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(k\left(\vect r_{2}-\vect r_{1}\right)\right)\vswfouttlm{\tau'}{l'}{m'}\left(\vect r-\vect r_{2}\right), & \vect r\in\openball{\left\Vert \vect r_{2}-\vect r_{1}\right\Vert }{\vect r_{1}}\\
1367 \sum_{\tau'l'm'}\tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(k\left(\vect r_{2}-\vect r_{1}\right)\right)\vswfrtlm{\tau'}{l'}{m'}\left(\vect r-\vect r_{2}\right), & \vect r\notin\closedball{\left\Vert \vect r_{2}-\vect r_{1}\right\Vert }{\left|\vect r_{1}\right|}
1368 \end{cases},\label{eq:singular vswf translation}
1369 \end{eqnarray}
1371 \end_inset
1373 where the singular translation operator 
1374 \begin_inset Formula $\trops$
1375 \end_inset
1377  has the same form as 
1378 \begin_inset Formula $\tropr$
1379 \end_inset
1381  in 
1382 \begin_inset CommandInset ref
1383 LatexCommand eqref
1384 reference "eq:translation operator"
1386 \end_inset
1388  except the regular spherical Bessel functions 
1389 \begin_inset Formula $j_{l}$
1390 \end_inset
1392  are replaced with spherical Hankel functions 
1393 \begin_inset Formula $h_{l}^{(1)}$
1394 \end_inset
1398 \begin_inset Note Note
1399 status open
1401 \begin_layout Plain Layout
1402 TODO note about expansion exactly on the sphere.
1403 \end_layout
1405 \end_inset
1408 \end_layout
1410 \begin_layout Standard
1411 As MSTMM deals most of the time with the 
1412 \emph on
1413 expansion coefficients
1414 \emph default
1415  of fields 
1416 \begin_inset Formula $\rcoeffptlm p{\tau}lm,\outcoeffptlm p{\tau}lm$
1417 \end_inset
1419  in different origins 
1420 \begin_inset Formula $\vect r_{p}$
1421 \end_inset
1423  rather than with the VSWFs directly, let us write down how 
1424 \emph on
1425 they
1426 \emph default
1427  transform under translation.
1428  Let us assume the field can be in terms of regular waves everywhere, and
1429  expand it in two different origins 
1430 \begin_inset Formula $\vect r_{p},\vect r_{q}$
1431 \end_inset
1434 \begin_inset Formula 
1436 \vect E\left(\vect r,\omega\right)=\sum_{\tau,l,m}\rcoeffptlm p{\tau}lm\vswfrtlm{\tau}lm\left(k\left(\vect r-\vect r_{p}\right)\right)=\sum_{\tau',l',m'}\rcoeffptlm q{\tau'}{l'}{m'}\vswfrtlm{\tau}{'l'}{m'}\left(k\left(\vect r-\vect r_{q}\right)\right).
1439 \end_inset
1441 Re-expanding the waves around 
1442 \begin_inset Formula $\vect r_{p}$
1443 \end_inset
1445  in terms of waves around 
1446 \begin_inset Formula $\vect r_{q}$
1447 \end_inset
1449  using 
1450 \begin_inset CommandInset ref
1451 LatexCommand eqref
1452 reference "eq:regular vswf translation"
1454 \end_inset
1457 \begin_inset Formula 
1459 \vect E\left(\vect r,\omega\right)=\sum_{\tau,l,m}\rcoeffptlm p{\tau}lm\sum_{\tau'l'm'}\tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(k\left(\vect r_{q}-\vect r_{p}\right)\right)\vswfrtlm{\tau'}{l'}{m'}\left(\vect r-\vect r_{q}\right)
1462 \end_inset
1464 and comparing to the original expansion around 
1465 \begin_inset Formula $\vect r_{q}$
1466 \end_inset
1468 , we obtain
1469 \begin_inset Formula 
1470 \begin{equation}
1471 \rcoeffptlm q{\tau'}{l'}{m'}=\sum_{\tau,l,m}\tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(k\left(\vect r_{q}-\vect r_{p}\right)\right)\rcoeffptlm p{\tau}lm.\label{eq:regular vswf coefficient translation}
1472 \end{equation}
1474 \end_inset
1476 For the sake of readability, we introduce a shorthand matrix form for 
1477 \begin_inset CommandInset ref
1478 LatexCommand eqref
1479 reference "eq:regular vswf coefficient translation"
1481 \end_inset
1484 \begin_inset Formula 
1485 \begin{equation}
1486 \rcoeffp q=\troprp qp\rcoeffp p\label{eq:reqular vswf coefficient vector translation}
1487 \end{equation}
1489 \end_inset
1491 (note the reversed indices; TODO redefine them in 
1492 \begin_inset CommandInset ref
1493 LatexCommand eqref
1494 reference "eq:regular vswf translation"
1496 \end_inset
1499 \begin_inset CommandInset ref
1500 LatexCommand eqref
1501 reference "eq:singular vswf translation"
1503 \end_inset
1505 ? Similarly, if we had only outgoing waves in the original expansion around
1507 \begin_inset Formula $\vect r_{p}$
1508 \end_inset
1510 , we would get
1511 \begin_inset Formula 
1512 \begin{equation}
1513 \rcoeffp q=\tropsp qp\outcoeffp p\label{eq:singular to regular vswf coefficient vector translation}
1514 \end{equation}
1516 \end_inset
1518 for the expansion inside the ball 
1519 \begin_inset Formula $\openball{\left\Vert \vect r_{q}-\vect r_{p}\right\Vert }{\vect r_{p}}$
1520 \end_inset
1523 \begin_inset Note Note
1524 status open
1526 \begin_layout Plain Layout
1527 CHECKME
1528 \end_layout
1530 \end_inset
1532  and 
1533 \begin_inset Formula 
1534 \begin{equation}
1535 \outcoeffp q=\troprp qp\outcoeffp p\label{eq:singular to singular vswf coefficient vector translation-1}
1536 \end{equation}
1538 \end_inset
1540 outside.
1541 \end_layout
1543 \begin_layout Standard
1544 In our convention, the regular translation operator can be expressed explicitly
1545  as (TODO CHECK CAREFULLY FOR POSSIBLE 
1546 \begin_inset Formula $(-1)^{m'}$
1547 \end_inset
1549  AND SIMILAR FACTORS AND REWRITE IN TERMS OF SPHERICAL HARMONICS)
1550 \begin_inset Note Note
1551 status open
1553 \begin_layout Plain Layout
1554 Teďka jsou tam zkopírovány výrazy pro C a D z Kristenssona, chybějí fase
1555 \end_layout
1557 \end_inset
1560 \begin_inset Formula 
1561 \begin{multline}
1562 \tropr_{\tau lm;\tau l'm'}\left(\vect d\right)=\frac{\left(-1\right)^{m+m'}}{2}\sum_{\lambda=\left|l-l'\right|}^{l+l'}\left(-1\right)^{\frac{l'-l+\lambda}{2}}\left(2\lambda+1\right)\sqrt{\frac{\left(2l+1\right)\left(2l'+1\right)\left(\lambda-\left(m-m'\right)\right)!}{l\left(l+1\right)l'\left(l'+1\right)\left(\lambda+\left(m-m'\right)\right)!}}\times\\
1563 \times\begin{pmatrix}l & l' & \lambda\\
1564 0 & 0 & 0
1565 \end{pmatrix}\begin{pmatrix}l & l' & \lambda\\
1566 m & -m' & m'-m
1567 \end{pmatrix}\left(l\left(l+1\right)+l'\left(l'+1\right)-\lambda\left(\lambda+1\right)\right)\times\\
1568 \times j_{\lambda}\left(d\right)P_{\lambda}^{m-m'}\left(\cos\theta_{\uvec d}\right)e^{i\left(m-m'\right)\phi_{\uvec d}},\\
1569 \tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(\vect d\right)=-i\frac{\left(-1\right)^{m+m'}}{2}\sum_{\lambda=\left|l-l'\right|+1}^{l+l'}\left(-1\right)^{\frac{l'-l+\lambda+1}{2}}\left(2\lambda+1\right)\sqrt{\frac{\left(2l+1\right)\left(2l'+1\right)\left(\lambda-\left(m-m'\right)\right)!}{l\left(l+1\right)l'\left(l'+1\right)\left(\lambda+\left(m-m'\right)\right)!}}\times\\
1570 \times\begin{pmatrix}l & l' & \lambda-1\\
1571 0 & 0 & 0
1572 \end{pmatrix}\begin{pmatrix}l & l' & \lambda\\
1573 m & -m' & m'-m
1574 \end{pmatrix}\sqrt{\lambda^{2}-\left(l-l'\right)^{2}}\sqrt{\left(l+l'+1\right)^{2}-\lambda^{2}}\times\\
1575 \times j_{\lambda}\left(d\right)P_{\lambda}^{m-m'}\left(\cos\theta_{\uvec d}\right)e^{i\left(m-m'\right)\phi_{\uvec d}},\qquad\tau\ne\tau'.\label{eq:translation operator}
1576 \end{multline}
1578 \end_inset
1580 The singular operator 
1581 \begin_inset Formula $\trops$
1582 \end_inset
1584  for re-expanding outgoing waves into regular ones has the same form except
1585  the regular spherical Bessel functions 
1586 \begin_inset Formula $j_{l}$
1587 \end_inset
1589  in are replaced with spherical Hankel functions 
1590 \begin_inset Formula $h_{l}^{(1)}=j_{l}+iy_{l}$
1591 \end_inset
1594 \end_layout
1596 \begin_layout Standard
1597 In our convention, the regular translation operator is unitary, 
1598 \begin_inset Formula $\left(\tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(\vect d\right)\right)^{-1}=\tropr_{\tau lm;\tau'l'm'}\left(-\vect d\right)=\tropr_{\tau'l'm';\tau lm}^{*}\left(\vect d\right)$
1599 \end_inset
1602 \begin_inset Note Note
1603 status open
1605 \begin_layout Plain Layout
1606 todo different notation for the complex conjugation without transposition???
1607 \end_layout
1609 \end_inset
1611  or in the per-particle matrix notation, 
1612 \begin_inset Formula 
1613 \begin{equation}
1614 \troprp qp^{-1}=\troprp pq=\troprp qp^{\dagger}\label{eq:regular translation unitarity}
1615 \end{equation}
1617 \end_inset
1620  Note that truncation at finite multipole degree breaks the unitarity, 
1621 \begin_inset Formula $\truncated{\troprp qp}L^{-1}\ne\truncated{\troprp pq}L=\truncated{\troprp qp^{\dagger}}L$
1622 \end_inset
1624 , which has to be taken into consideration when evaluating quantities such
1625  as absorption or scattering cross sections.
1626  Similarly, the full regular operators can be composed
1627 \begin_inset Note Note
1628 status open
1630 \begin_layout Plain Layout
1631 better wording
1632 \end_layout
1634 \end_inset
1637 \begin_inset Formula 
1638 \begin{equation}
1639 \troprp ac=\troprp ab\troprp bc\label{eq:regular translation composition}
1640 \end{equation}
1642 \end_inset
1644  but truncation breaks this, 
1645 \begin_inset Formula $\truncated{\troprp ac}L\ne\truncated{\troprp ab}L\truncated{\troprp bc}L.$
1646 \end_inset
1649 \end_layout
1651 \begin_layout Subsubsection
1652 Cross-sections (many scatterers)
1653 \end_layout
1655 \begin_layout Standard
1656 For a system of many scatterers, Kristensson 
1657 \begin_inset CommandInset citation
1658 LatexCommand cite
1659 after "sect. 9.2.2"
1660 key "kristensson_scattering_2016"
1661 literal "false"
1663 \end_inset
1665  derives only the extinction cross section formula.
1666  Let us re-derive it together with the many-particle scattering and absorption
1667  cross sections.
1668  First, let us take a ball circumscribing all the scatterers at once, 
1669 \begin_inset Formula $\openball R{\vect r_{\square}}\supset\particle$
1670 \end_inset
1673  Outside 
1674 \begin_inset Formula $\openball R{\vect r_{\square}}$
1675 \end_inset
1677 , we can describe the EM fields as if there was only a single scatterer,
1678 \begin_inset Formula 
1680 \vect E\left(\vect r\right)=\sum_{\tau,l,m}\left(\rcoeffptlm{\square}{\tau}lm\vswfrtlm{\tau}lm\left(\vect r-\vect r_{\square}\right)+\outcoeffptlm{\square}{\tau}lm\vswfouttlm{\tau}lm\left(\vect r-\vect r_{\square}\right)\right),
1683 \end_inset
1685 where 
1686 \begin_inset Formula $\rcoeffp{\square},\outcoeffp{\square}$
1687 \end_inset
1689  are the vectors of VSWF expansion coefficients of the incident and total
1690  scattered fields, respectively, at origin 
1691 \begin_inset Formula $\vect r_{\square}$
1692 \end_inset
1695  In principle, one could evaluate 
1696 \begin_inset Formula $\outcoeffp{\square}$
1697 \end_inset
1699  using the translation operators (REF!!!) and use the single-scatterer formulae
1701 \begin_inset CommandInset ref
1702 LatexCommand eqref
1703 reference "eq:extincion CS single"
1705 \end_inset
1708 \begin_inset CommandInset ref
1709 LatexCommand eqref
1710 reference "eq:absorption CS single"
1712 \end_inset
1714  with 
1715 \begin_inset Formula $\rcoeffp{}=\rcoeffp{\square},\outcoeffp{}=\outcoeffp{\square}$
1716 \end_inset
1718  to obtain the cross sections.
1719  However, this is not suitable for numerical evaluation with truncation
1720  in multipole degree; hence we need to express them in terms of particle-wise
1721  expansions 
1722 \begin_inset Formula $\rcoeffp p,\outcoeffp p$
1723 \end_inset
1726  The original incident field re-expanded around 
1727 \begin_inset Formula $p$
1728 \end_inset
1730 -th particle reads according to 
1731 \begin_inset CommandInset ref
1732 LatexCommand eqref
1733 reference "eq:regular vswf translation"
1734 plural "false"
1735 caps "false"
1736 noprefix "false"
1738 \end_inset
1741 \begin_inset Formula 
1742 \begin{equation}
1743 \rcoeffincp p=\troprp p{\square}\rcoeffp{\square}\label{eq:a_inc local from global}
1744 \end{equation}
1746 \end_inset
1748 whereas the contributions of fields scattered from each particle expanded
1749  around the global origin 
1750 \begin_inset Formula $\vect r_{\square}$
1751 \end_inset
1753  is, according to 
1754 \begin_inset CommandInset ref
1755 LatexCommand eqref
1756 reference "eq:singular vswf translation"
1757 plural "false"
1758 caps "false"
1759 noprefix "false"
1761 \end_inset
1764 \begin_inset Formula 
1765 \begin{equation}
1766 \outcoeffp{\square}=\sum_{q\in\mathcal{P}}\troprp{\square}q\outcoeffp q.\label{eq:f global from local}
1767 \end{equation}
1769 \end_inset
1771 Using the unitarity 
1772 \begin_inset CommandInset ref
1773 LatexCommand eqref
1774 reference "eq:regular translation unitarity"
1775 plural "false"
1776 caps "false"
1777 noprefix "false"
1779 \end_inset
1781  and composition 
1782 \begin_inset CommandInset ref
1783 LatexCommand eqref
1784 reference "eq:regular translation composition"
1785 plural "false"
1786 caps "false"
1787 noprefix "false"
1789 \end_inset
1791  properties, one has
1792 \begin_inset Formula 
1793 \begin{align}
1794 \rcoeffp{\square}^{\dagger}\outcoeffp{\square} & =\rcoeffincp p^{\dagger}\troprp p{\square}\troprp{\square}q\outcoeffp q=\rcoeffincp p^{\dagger}\sum_{q\in\mathcal{P}}\troprp pqf_{q}\nonumber \\
1795  & =\sum_{q\in\mathcal{P}}\left(\troprp qp\rcoeffincp p\right)^{\dagger}f_{q}=\sum_{q\in\mathcal{P}}\rcoeffincp q^{\dagger}f_{q},\label{eq:atf form multiparticle}
1796 \end{align}
1798 \end_inset
1800 where only the last expression is suitable for numerical evaluation with
1801  truncated matrices, because the previous ones contain a translation operator
1802  right next to an incident field coefficient vector (see Sec.
1803  TODO).
1804  Similarly, 
1805 \begin_inset Formula 
1806 \begin{align}
1807 \left\Vert \outcoeffp{\square}\right\Vert ^{2} & =\outcoeffp{\square}^{\dagger}\outcoeffp{\square}=\sum_{p\in\mathcal{P}}\left(\troprp{\square}p\outcoeffp p\right)^{\dagger}\sum_{q\in\mathcal{P}}\troprp{\square}q\outcoeffp q\nonumber \\
1808  & =\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{q\in\mathcal{P}}\outcoeffp p^{\dagger}\troprp pq\outcoeffp q.\label{eq:f squared form multiparticle}
1809 \end{align}
1811 \end_inset
1813 Substituting 
1814 \begin_inset CommandInset ref
1815 LatexCommand eqref
1816 reference "eq:atf form multiparticle"
1817 plural "false"
1818 caps "false"
1819 noprefix "false"
1821 \end_inset
1824 \begin_inset CommandInset ref
1825 LatexCommand eqref
1826 reference "eq:f squared form multiparticle"
1827 plural "false"
1828 caps "false"
1829 noprefix "false"
1831 \end_inset
1833  into 
1834 \begin_inset CommandInset ref
1835 LatexCommand eqref
1836 reference "eq:scattering CS single"
1837 plural "false"
1838 caps "false"
1839 noprefix "false"
1841 \end_inset
1843  and 
1844 \begin_inset CommandInset ref
1845 LatexCommand eqref
1846 reference "eq:absorption CS single"
1847 plural "false"
1848 caps "false"
1849 noprefix "false"
1851 \end_inset
1853 , we get the many-particle expressions for extinction, scattering and absorption
1854  cross sections suitable for numerical evaluation: 
1855 \begin_inset Formula 
1856 \begin{eqnarray}
1857 \sigma_{\mathrm{ext}}\left(\uvec k\right) & = & -\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\Re\sum_{p\in\mathcal{P}}\rcoeffincp p^{\dagger}\outcoeffp p=-\frac{1}{2k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\Re\sum_{p\in\mathcal{P}}\rcoeffincp p^{\dagger}\left(\Tp p+\Tp p^{\dagger}\right)\rcoeffp p,\label{eq:extincion CS multi}\\
1858 \sigma_{\mathrm{scat}}\left(\uvec k\right) & = & \frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{q\in\mathcal{P}}\outcoeffp p^{\dagger}\troprp pq\outcoeffp q\nonumber \\
1859  &  & =\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{q\in\mathcal{P}}\rcoeffp p^{\dagger}\Tp p^{\dagger}\troprp pq\Tp q\rcoeffp q,\label{eq:scattering CS multi}\\
1860 \sigma_{\mathrm{abs}}\left(\uvec k\right) & = & -\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\Re\left(\outcoeffp p^{\dagger}\left(\rcoeffincp p+\sum_{q\in\mathcal{P}}\troprp pq\outcoeffp q\right)\right).\nonumber \\
1861 \label{eq:absorption CS multi}
1862 \end{eqnarray}
1864 \end_inset
1867 \begin_inset Note Note
1868 status open
1870 \begin_layout Plain Layout
1871 \begin_inset Formula $=\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\mbox{TODO}.$
1872 \end_inset
1875 \end_layout
1877 \end_inset
1879 An alternative approach to derive the absorption cross section is via a
1880  power transport argument.
1881  Note the direct proportionality between absorption cross section 
1882 \begin_inset CommandInset ref
1883 LatexCommand eqref
1884 reference "eq:absorption CS single"
1885 plural "false"
1886 caps "false"
1887 noprefix "false"
1889 \end_inset
1891  and net radiated power for single scatterer 
1892 \begin_inset CommandInset ref
1893 LatexCommand eqref
1894 reference "eq:Power transport"
1895 plural "false"
1896 caps "false"
1897 noprefix "false"
1899 \end_inset
1902 \begin_inset Formula $\sigma_{\mathrm{abs}}=-\eta_{0}\eta P/2\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}$
1903 \end_inset
1906  In the many-particle setup (with non-lossy background medium, so that only
1907  the particles absorb), the total absorbed power is equal to the sum of
1908  absorbed powers on each particle, 
1909 \begin_inset Formula $-P=\sum_{p\in\mathcal{P}}-P_{p}$
1910 \end_inset
1913  Using the power transport formula 
1914 \begin_inset CommandInset ref
1915 LatexCommand eqref
1916 reference "eq:Power transport"
1917 plural "false"
1918 caps "false"
1919 noprefix "false"
1921 \end_inset
1923  particle-wise gives
1924 \begin_inset Formula 
1925 \begin{equation}
1926 \sigma_{\mathrm{abs}}\left(\uvec k\right)=-\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\left(\Re\left(\rcoeffp p^{\dagger}\outcoeffp p\right)+\left\Vert \outcoeffp p\right\Vert ^{2}\right)\label{eq:absorption CS multi alternative}
1927 \end{equation}
1929 \end_inset
1931 which seems different from 
1932 \begin_inset CommandInset ref
1933 LatexCommand eqref
1934 reference "eq:absorption CS multi"
1935 plural "false"
1936 caps "false"
1937 noprefix "false"
1939 \end_inset
1941 , but using 
1942 \begin_inset CommandInset ref
1943 LatexCommand eqref
1944 reference "eq:particle total incident field coefficient a"
1945 plural "false"
1946 caps "false"
1947 noprefix "false"
1949 \end_inset
1951 , we can rewrite it as
1952 \begin_inset Formula 
1953 \begin{align*}
1954 \sigma_{\mathrm{abs}}\left(\uvec k\right) & =-\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\Re\left(\outcoeffp p^{\dagger}\left(\rcoeffp p+\outcoeffp p\right)\right)\\
1955  & =-\frac{1}{k^{2}\left\Vert \vect E_{0}\right\Vert ^{2}}\sum_{p\in\mathcal{P}}\Re\left(\outcoeffp p^{\dagger}\left(\rcoeffincp p+\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\tropsp pq\outcoeffp q+\outcoeffp p\right)\right).
1956 \end{align*}
1958 \end_inset
1960 It is easy to show that all the terms of 
1961 \begin_inset Formula $\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\outcoeffp p^{\dagger}\tropsp pq\outcoeffp q$
1962 \end_inset
1964  containing the singular spherical Bessel functions 
1965 \begin_inset Formula $y_{l}$
1966 \end_inset
1968  are imaginary, 
1969 \begin_inset Note Note
1970 status open
1972 \begin_layout Plain Layout
1973 TODO better formulation
1974 \end_layout
1976 \end_inset
1978  so that actually 
1979 \begin_inset Formula $\sum_{p\in\mathcal{P}}\Re\left(\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\outcoeffp p^{\dagger}\tropsp pq\outcoeffp q+\outcoeffp p^{\dagger}\outcoeffp p\right)=\sum_{p\in\mathcal{P}}\Re\left(\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\outcoeffp p^{\dagger}\troprp pq\outcoeffp q+\outcoeffp p^{\dagger}\outcoeffp p\right)=\sum_{p\in\mathcal{P}}\Re\left(\sum_{q\in\mathcal{P}\backslash\left\{ p\right\} }\outcoeffp p^{\dagger}\troprp pq\outcoeffp q+\outcoeffp p^{\dagger}\troprp pp\outcoeffp p\right)=\sum_{p\in\mathcal{P}}\sum_{q\in\mathcal{P}}\outcoeffp p^{\dagger}\troprp pq\outcoeffp q,$
1980 \end_inset
1982  proving that the expressions in 
1983 \begin_inset CommandInset ref
1984 LatexCommand eqref
1985 reference "eq:absorption CS multi"
1986 plural "false"
1987 caps "false"
1988 noprefix "false"
1990 \end_inset
1992  and 
1993 \begin_inset CommandInset ref
1994 LatexCommand eqref
1995 reference "eq:absorption CS multi alternative"
1996 plural "false"
1997 caps "false"
1998 noprefix "false"
2000 \end_inset
2002  are equal.
2003 \end_layout
2005 \end_body
2006 \end_document