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1 #LyX 2.4 created this file. For more info see https://www.lyx.org/
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91 1D in 3D Ewald sum
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95 \begin_inset FormulaMacro
96 \newcommand{\ud}{\mathrm{d}}
97 \end_inset
100 \begin_inset FormulaMacro
101 \newcommand{\abs}[1]{\left|#1\right|}
102 \end_inset
105 \begin_inset FormulaMacro
106 \newcommand{\vect}[1]{\mathbf{#1}}
107 \end_inset
110 \begin_inset FormulaMacro
111 \newcommand{\uvec}[1]{\hat{\mathbf{#1}}}
112 \end_inset
115 \lang english
117 \begin_inset FormulaMacro
118 \newcommand{\ush}[2]{Y_{#1}^{#2}}
119 \end_inset
122 \begin_inset FormulaMacro
123 \newcommand{\ushD}[2]{Y'_{#1}^{#2}}
124 \end_inset
127 \end_layout
129 \begin_layout Standard
130 \begin_inset FormulaMacro
131 \newcommand{\vsh}{\vect A}
132 \end_inset
135 \begin_inset FormulaMacro
136 \newcommand{\vshD}{\vect{A'}}
137 \end_inset
140 \begin_inset FormulaMacro
141 \newcommand{\wfkc}{\vect y}
142 \end_inset
145 \begin_inset FormulaMacro
146 \newcommand{\wfkcout}{\vect u}
147 \end_inset
150 \begin_inset FormulaMacro
151 \newcommand{\wfkcreg}{\vect v}
152 \end_inset
155 \begin_inset FormulaMacro
156 \newcommand{\wckcreg}{a}
157 \end_inset
160 \begin_inset FormulaMacro
161 \newcommand{\wckcout}{f}
162 \end_inset
165 \end_layout
167 \begin_layout Section
168 General formula
169 \end_layout
171 \begin_layout Standard
172 We need to find the expansion coefficient
173 \end_layout
175 \begin_layout Standard
176 \begin_inset Formula 
177 \begin{equation}
178 \tau_{l'}^{m'}\left(\vect s,\vect k\right)=\frac{i}{\kappa j_{l'}\left(\kappa\left|\vect r\right|\right)}\int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(\kappa)}\left(\vect s+\vect r,\vect k\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right).\label{eq:tau extraction formula}
179 \end{equation}
181 \end_inset
184 \end_layout
186 \begin_layout Standard
187 [Linton, (2.24)] with slightly modified notation and setting 
188 \begin_inset Formula $d_{c}=2$
189 \end_inset
192 \begin_inset Formula 
194 G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect r}\int_{1/\eta}^{\infty e^{i\pi/4}}e^{-\kappa^{2}\gamma^{2}t^{2}/4}e^{-\left|\vect r^{\bot}\right|^{2}/t^{2}}t^{-1}\ud t
197 \end_inset
199 or, evaluated at point 
200 \begin_inset Formula $\vect s+\vect r$
201 \end_inset
203  instead
204 \begin_inset Formula 
206 G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\left(\vect s+\vect r\right)}\int_{1/\eta}^{\infty e^{i\pi/4}}e^{-\kappa^{2}\gamma^{2}t^{2}/4}e^{-\left|\vect s^{\bot}+\vect r^{\bot}\right|^{2}/t^{2}}t^{-1}\ud t
209 \end_inset
211 The integral can be by substitutions taken into the form 
212 \begin_inset Note Note
213 status open
215 \begin_layout Plain Layout
217 \lang english
218 \begin_inset Formula 
220 G_{\Lambda}^{\left(1\right)}\left(\vect r\right)=\frac{\pi^{-d_{c}/2}}{2\mathcal{A}}\sum_{\vect K_{m}\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K_{m}\cdot\vect r}\int_{1/\eta}^{\infty\exp\left(i\pi/4\right)}e^{-\kappa^{2}\gamma_{m}^{2}\zeta^{2}/4}e^{-\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}/\zeta^{2}}\zeta^{1-d_{c}}\ud\zeta
223 \end_inset
225 Try substitution 
226 \begin_inset Formula $t=\zeta^{2}$
227 \end_inset
229 : then 
230 \begin_inset Formula $\ud t=2\zeta\,\ud\zeta$
231 \end_inset
234 \begin_inset Formula $\ud\zeta=\ud t/2t^{1/2}$
235 \end_inset
237 ) and
238 \begin_inset Formula 
240 G_{\Lambda}^{\left(1\right)}\left(\vect r\right)=\frac{\pi^{-d_{c}/2}}{4\mathcal{A}}\sum_{\vect K_{m}\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K_{m}\cdot\vect r}\int_{1/\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\kappa^{2}\gamma_{m}^{2}t/4}e^{-\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}/t}t^{\frac{-d_{c}}{2}}\ud t
243 \end_inset
245 Try subst.
247 \begin_inset Formula $\tau=k^{2}\gamma_{m}^{2}/4$
248 \end_inset
251 \end_layout
253 \begin_layout Plain Layout
255 \lang english
256 \begin_inset Formula 
258 G_{\Lambda}^{\left(1\right)}\left(\vect r\right)=\frac{\pi^{-d_{c}/2}}{4\mathcal{A}}\sum_{\vect K_{m}\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K_{m}\cdot\vect r}\left(\frac{\kappa\gamma_{m}}{2}\right)^{d_{c}}\int_{\kappa^{2}\gamma_{m}^{2}/4\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\tau}e^{-\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{m}^{2}/4\tau}\tau^{\frac{-d_{c}}{2}}\ud\tau
261 \end_inset
264 \end_layout
266 \end_inset
269 \begin_inset Formula 
271 G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\left(\vect s+\vect r\right)}\int_{\kappa^{2}\gamma_{m}^{2}/4\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\tau}e^{-\left|\vect s_{\bot}+\vect r_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{m}^{2}/4\tau}\tau^{-1}\ud\tau
274 \end_inset
277 \end_layout
279 \begin_layout Standard
280 \begin_inset Foot
281 status open
283 \begin_layout Plain Layout
284 [Linton, (2.25)] with slightly modified notation:
285 \begin_inset Formula 
287 G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect r\right)=-\frac{1}{\sqrt{4\pi}\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect r}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{j}\left|\vect r^{\bot}\right|^{2j}}{j!}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2j-1}\Gamma_{j\vect K}
290 \end_inset
292 We want to express an expansion in a shifted point, so let's substitute
294 \begin_inset Formula $\vect r\to\vect s+\vect r$
295 \end_inset
298 \begin_inset Formula 
300 G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)=-\frac{1}{\sqrt{4\pi}\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\left(\vect s+\vect r\right)}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{j}\left|\vect s^{\bot}+\vect r^{\bot}\right|^{2j}}{j!}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2j-1}\Gamma_{j\vect K}
303 \end_inset
306 \end_layout
308 \end_inset
310 Let's do the integration to get 
311 \begin_inset Formula $\tau_{l}^{m}\left(\vect s,\vect k\right)$
312 \end_inset
315 \begin_inset Formula 
317 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\left(\vect s+\vect r\right)}\int_{\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\tau}e^{-\left|\vect s_{\bot}+\vect r_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\tau^{-1}\ud\tau
320 \end_inset
322 The 
323 \begin_inset Formula $\vect r$
324 \end_inset
326 -dependent plane wave factor can be also written as
327 \begin_inset Formula 
328 \begin{align*}
329 e^{i\vect K\cdot\vect r} & =e^{i\left|\vect K\right|\vect r\cdot\uvec K}=4\pi\sum_{lm}i^{l}\mathcal{J}'_{l}^{m}\left(\left|\vect K\right|\vect r\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\\
330  & =4\pi\sum_{lm}i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ushD lm\left(\uvec{\vect r}\right)\ush lm\left(\uvec K\right)
331 \end{align*}
333 \end_inset
336 \begin_inset Note Note
337 status open
339 \begin_layout Plain Layout
340 or the other way around
341 \begin_inset Formula 
343 e^{i\vect K\cdot\vect r}=4\pi\sum_{lm}i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ush lm\left(\uvec{\vect r}\right)\ushD lm\left(\uvec K\right)
346 \end_inset
349 \end_layout
351 \end_inset
354 \begin_inset Formula 
356 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\int_{\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\tau}e^{-\left|\vect s_{\bot}+\vect r_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\tau^{-1}\ud\tau
359 \end_inset
362 \end_layout
364 \begin_layout Standard
365 We also have
366 \begin_inset Formula 
367 \begin{align*}
368 e^{-\left|\vect s_{\bot}+\vect r_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau} & =e^{-\left(\left|\vect s_{\bot}\right|^{2}+\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}+2\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}\right)\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\\
369  & =e^{-\left|\vect s_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}\left(-\frac{\left(\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}+2\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}\right)\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}}{4\tau}\right)^{n},
370 \end{align*}
372 \end_inset
374 hence
375 \begin_inset Formula 
376 \begin{align*}
377 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right) & =-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{1}{n!}\left(-\frac{\left(\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}+2\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}\right)\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}}{4}\right)^{n}\underbrace{\int_{\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\tau}e^{-\left|\vect s_{\bot}\right|^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\tau^{-1-n}\ud\tau}_{\Delta_{n+1/2}}\\
378  & =-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\Delta_{n+1/2}}{n!}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left(-\frac{\left(\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}+2\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}\right)\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}}{4}\right)^{n}\\
379  & =-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{n}}{n!}\Delta_{n+1/2}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2n}\sum_{k=0}^{n}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left|\vect r_{\bot}\right|^{2(n-k)}\left(2\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}\right)^{k}
380 \end{align*}
382 \end_inset
384 If we label 
385 \begin_inset Formula $\left|\vect r_{\bot}\right|\left|\vect s_{\bot}\right|\cos\varphi\equiv\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}$
386 \end_inset
388 , we have
389 \begin_inset Formula 
391 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{n}}{n!}\Delta_{n+1/2}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2n}\sum_{k=0}^{n}\left(2\left|\vect s_{\bot}\right|\right)^{k}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left|\vect r_{\bot}\right|^{2n-k}\left(\cos\varphi\right)^{k}
394 \end_inset
396 and if we label 
397 \begin_inset Formula $\left|\vect r\right|\sin\vartheta\equiv\left|\vect r_{\bot}\right|$
398 \end_inset
401 \begin_inset Formula 
403 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ush lm\left(\uvec K\right)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{n}}{n!}\Delta_{n+1/2}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2n}\sum_{k=0}^{n}\left|\vect r\right|^{2n-k}\left(2\left|\vect s_{\bot}\right|\right)^{k}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left(\sin\vartheta\right)^{2n-k}\left(\cos\varphi\right)^{k}
406 \end_inset
408 Now let's put the RHS into 
409 \begin_inset CommandInset ref
410 LatexCommand eqref
411 reference "eq:tau extraction formula"
412 plural "false"
413 caps "false"
414 noprefix "false"
416 \end_inset
418  and try eliminating some sum by taking the limit 
419 \begin_inset Formula $\left|\vect r\right|\to0$
420 \end_inset
423  We have 
424 \begin_inset Formula $j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\sim\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)^{l}/\left(2l+1\right)!!$
425 \end_inset
427 ; the denominator from 
428 \begin_inset CommandInset ref
429 LatexCommand eqref
430 reference "eq:tau extraction formula"
431 plural "false"
432 caps "false"
433 noprefix "false"
435 \end_inset
437  behaves like 
438 \begin_inset Formula $j_{l'}\left(\kappa\left|\vect r\right|\right)\sim\left(\kappa\left|\vect r\right|\right)^{l'}/\left(2l'+1\right)!!.$
439 \end_inset
441  The leading terms are hence those with 
442 \begin_inset Formula $\left|\vect r\right|^{l-l'+2n-k}$
443 \end_inset
446  So 
447 \begin_inset Formula 
449 \tau_{l'}^{m'}\left(\vect s,\vect k\right)=\frac{-i}{2\pi\mathcal{A}\kappa^{1+l'}}\left(2l'+1\right)!!\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}\frac{\left|\vect K\right|^{l}}{\left(2l+1\right)!!}\ush lm\left(\uvec K\right)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^{n}}{n!}\Delta_{n+1/2}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2n}\sum_{k=0}^{n}\delta_{l'-l,2n-k}\left(2\left|\vect s_{\bot}\right|\right)^{k}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left(\sin\vartheta\right)^{l'-l}\left(\cos\varphi\right)^{k}.
452 \end_inset
454 Let's now focus on rearranging the sums; we have
455 \begin_inset Formula 
457 S(l')\equiv\sum_{l=0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\sum_{k=0}^{n}\delta_{l'-l,2n-k}f(l',l,n,k)=\sum_{l=0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\sum_{k=0}^{n}\delta_{l'-l,2n-k}f(l',l,n,2n-l'+l)
460 \end_inset
462 We have 
463 \begin_inset Formula $0\le k\le n$
464 \end_inset
466 , hence 
467 \begin_inset Formula $0\le2n-l'+l\le n$
468 \end_inset
470 , hence 
471 \begin_inset Formula $-2n\le-l'+l\le-n$
472 \end_inset
474 , hence also 
475 \begin_inset Formula $l'-2n\le l\le l'-n$
476 \end_inset
478 , which gives the opportunity to swap the 
479 \begin_inset Formula $l,n$
480 \end_inset
482  sums and the 
483 \begin_inset Formula $l$
484 \end_inset
486 -sum becomes finite; so also consuming 
487 \begin_inset Formula $\sum_{k=0}^{n}\delta_{l'-l,2n-k}$
488 \end_inset
490  we get 
491 \begin_inset Formula 
493 S(l')=\sum_{n=0}^{\infty}\sum_{l=\max(0,l'-2n)}^{l'-n}f(l',l,n,2n-l'+l).
496 \end_inset
498 Finally, we see that the interval of valid 
499 \begin_inset Formula $l$
500 \end_inset
502  becomes empty when 
503 \begin_inset Formula $l'-n<0$
504 \end_inset
506 , i.e.
508 \begin_inset Formula $n>l'$
509 \end_inset
511 ; so we get a finite sum
512 \begin_inset Formula 
514 S(l')=\sum_{n=0}^{l'}\sum_{l=\max(0,l'-2n)}^{l'-n}f(l',l,n,2n-l'+l).
517 \end_inset
519 Applying rearrangement,
520 \begin_inset Formula 
522 \tau_{l'}^{m'}\left(\vect s,\vect k\right)=\frac{-i}{2\pi\mathcal{A}\kappa^{1+l'}}\left(2l'+1\right)!!\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{n=0}^{l'}\frac{\left(-1\right)^{n}}{n!}\Delta_{n+1/2}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2n}\sum_{l=\max\left(0,l'-2n\right)}^{l'-n}4\pi i^{l}\left(2\left|\vect s_{\bot}\right|\right)^{2n-l'+l}\frac{\left|\vect K\right|^{l}}{\left(2l+1\right)!!}\sum_{m=-l}^{l}\ush lm\left(\uvec K\right)\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left(\sin\vartheta\right)^{l'-l}\left(\cos\varphi\right)^{2n-l'+l}.
525 \end_inset
528 \end_layout
530 \begin_layout Section
531 Z-aligned lattice
532 \end_layout
534 \begin_layout Standard
535 Now we set some conventions: let the lattice lie on the 
536 \begin_inset Formula $z$
537 \end_inset
539  axis, so that 
540 \begin_inset Formula $\vect s_{\bot},\vect r_{\bot}$
541 \end_inset
543  lie in the 
544 \begin_inset Formula $xy$
545 \end_inset
547 -plane.
548 \begin_inset Note Note
549 status open
551 \begin_layout Plain Layout
552 (TODO check the meaning of 
553 \begin_inset Formula $\vect k$
554 \end_inset
556  and possible additional phase factor.)
557 \end_layout
559 \end_inset
561  If we write
562 \begin_inset Formula $\vect s_{\bot}=\uvec x\left|\vect s_{\bot}\right|\cos\Phi+\uvec y\left|\vect s_{\bot}\right|\sin\Phi$
563 \end_inset
566 \begin_inset Formula $\vect r_{\bot}=\uvec x\left|\vect r_{\bot}\right|\cos\phi+\uvec y\left|\vect r_{\bot}\right|\sin\phi=\uvec x\left|\vect r\right|\sin\theta\cos\phi+\uvec y\left|\vect r\right|\sin\theta\sin\phi$
567 \end_inset
569 , we have 
570 \begin_inset Formula $\varphi=\phi-\Phi$
571 \end_inset
573 , and 
574 \begin_inset Formula $\vartheta=\theta$
575 \end_inset
578  Also, in this convention 
579 \begin_inset Formula $\ush lm\left(\uvec K\right)=0$
580 \end_inset
582  for 
583 \begin_inset Formula $m\ne0$
584 \end_inset
586 , so
587 \begin_inset Formula 
589 \tau_{l'}^{m'}\left(\vect s,\vect k\right)=\frac{-i}{2\pi\mathcal{A}\kappa^{1+l'}}\left(2l'+1\right)!!\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{n=0}^{l'}\frac{\left(-1\right)^{n}}{n!}\Delta_{n+1/2}\left(\frac{\kappa\gamma_{\vect K}}{2}\right)^{2n}\sum_{l=\max\left(0,l'-2n\right)}^{l'-n}4\pi i^{l}\left(2\left|\vect s_{\bot}\right|\right)^{2n-l'+l}\frac{\left|\vect K\right|^{l}}{\left(2l+1\right)!!}\ush l0\left(\uvec K\right)\underbrace{\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD l0\left(\uvec r\right)\left(\sin\theta\right)^{l'-l}\left(\cos\varphi\right)^{2n-l'+l}}_{\equiv A_{l',l,n,m'}}.
592 \end_inset
594 Let's also fix the (dual) spherical harmonics for now, 
595 \begin_inset Formula 
597 \ushD lm\left(\uvec r\right)=\lambda'_{lm}e^{-im\phi}P_{l}^{-m}\left(\cos\theta\right);
600 \end_inset
602 the angular integral then becomes (we also use 
603 \begin_inset Formula $e^{-im'\phi}=e^{im'\Phi}e^{-im'\varphi}$
604 \end_inset
607 \begin_inset Formula 
608 \begin{align*}
609 A_{l',l,n,m'} & \equiv\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD l0\left(\uvec r\right)\left(\sin\theta\right)^{l'-l}\left(\cos\varphi\right)^{2n-l'+l}\\
610  & =\lambda'_{l'm'}\lambda'_{l0}e^{im'\Phi}\int_{0}^{\pi}\ud\theta\,\sin\theta P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)\left(\sin\theta\right)^{l'-l}\int_{0}^{2\pi}\ud\varphi\,e^{-im'\varphi}\left(\cos\varphi\right)^{2n-l'+l}.
611 \end{align*}
613 \end_inset
615 The asimuthal integral evaluates to 
616 \begin_inset Formula 
618 \int_{0}^{2\pi}\ud\varphi\,e^{-im'\varphi}\left(\cos\varphi\right)^{2n-l'+l}=\pi\delta_{\left|m'\right|,2n-l'+l}
621 \end_inset
623  (note that 
624 \begin_inset Formula $2n-l'+l\ge0$
625 \end_inset
627  as it's the former index 
628 \begin_inset Formula $k$
629 \end_inset
632  That eliminates one of the two remaining (finite) sums.
633  We are left with the polar integral
634 \begin_inset Formula 
636 \int_{0}^{\pi}\ud\theta\,\sin\theta P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)\left(\sin\theta\right)^{l'-l}
639 \end_inset
641 for which I couldn't find an explicit form yet.
642 \end_layout
644 \begin_layout Section
645 X-aligned lattice
646 \end_layout
648 \begin_layout Standard
649 If we instead set 
650 \begin_inset Formula $\vect s_{\bot}=\uvec z\left|\vect s_{\bot}\right|\cos\Theta+\uvec y\left|\vect s_{\bot}\right|\sin\Theta$
651 \end_inset
654 \begin_inset Formula $\vect r_{\bot}=\uvec z\left|\vect r_{\bot}\right|\cos\theta+\uvec y\left|\vect r_{\bot}\right|\sin\theta=\uvec z\left|\vect r\right|\cos\theta+\uvec y\left|\vect r\right|\sin\theta\sin\phi$
655 \end_inset
657 , we have 
658 \begin_inset Formula $\vartheta=\Theta-\theta$
659 \end_inset
662 \end_layout
664 \begin_layout Standard
665 \begin_inset Formula 
667 \int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD lm\left(\uvec r\right)\left(\sin\vartheta\right)^{l'-l}\left(\cos\varphi\right)^{k}
670 \end_inset
673 \end_layout
675 \begin_layout Standard
676 \begin_inset Note Note
677 status open
679 \begin_layout Plain Layout
680 BTW:
681 \begin_inset Formula 
682 \begin{align*}
683 \left|\vect r_{\bot}\right|^{2} & =\left|\vect r\right|^{2}-\left|\vect r_{\parallel}\right|^{2}=\left|\vect r\right|^{2}-\left(\vect r\cdot\uvec K\right)^{2},\\
684 \vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot} & =\vect r\cdot\vect s_{\bot}
685 \end{align*}
687 \end_inset
690 \end_layout
692 \end_inset
695 \end_layout
697 \begin_layout Standard
698 \begin_inset Note Note
699 status open
701 \begin_layout Plain Layout
702 Now we set the conventions: let the lattice lie on the 
703 \begin_inset Formula $z$
704 \end_inset
706  axis, so that 
707 \begin_inset Formula $\vect s_{\bot},\vect r_{\bot}$
708 \end_inset
710  lie in the 
711 \begin_inset Formula $xy$
712 \end_inset
714 -plane, (TODO check the meaning of 
715 \begin_inset Formula $\vect k$
716 \end_inset
718  and possible additional phase factor.) If we write
719 \begin_inset Formula $\vect s_{\bot}=\uvec xs_{\bot}\cos\Phi+\uvec ys_{\bot}\sin\Phi$
720 \end_inset
723 \begin_inset Formula $\vect r_{\bot}=\uvec xr_{\bot}\cos\phi+\uvec yr_{\bot}\sin\phi=\uvec xr\sin\theta\cos\phi+\uvec yr\sin\theta\sin\phi$
724 \end_inset
726 , we have 
727 \begin_inset Formula 
729 \left|\vect s_{\bot}+\vect r_{\bot}\right|^{2}=s_{\bot}^{2}+r^{2}\left(\sin\theta\right)^{2}+2s_{\bot}r\sin\theta\cos\left(\phi-\Phi\right).
732 \end_inset
735 \end_layout
737 \begin_layout Plain Layout
738 Also, in this convention 
739 \begin_inset Formula $\ush lm\left(\uvec K\right)=0$
740 \end_inset
742  for 
743 \begin_inset Formula $m\ne0$
744 \end_inset
746 , so
747 \end_layout
749 \begin_layout Plain Layout
750 \begin_inset Formula 
751 \begin{align*}
752 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right) & =-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{lm}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ush l0\left(\uvec K\right)\times\\
753  & \quad\times\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\ushD l0\left(\uvec r\right)\sum_{n=0}^{\infty}\Delta_{n+1/2}\frac{1}{n!}\left(-\frac{\left(\left|\vect r_{\bot}\right|^{2}+2\vect r_{\bot}\cdot\vect s_{\bot}\right)\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}}{4}\right)^{n}.
754 \end{align*}
756 \end_inset
758 Let's also fix the spherical harmonics for now, 
759 \begin_inset Formula 
761 \ushD lm\left(\uvec r\right)=\lambda'_{lm}e^{-im\phi}P_{l}^{-m}\left(\cos\theta\right)
764 \end_inset
766 Also, in this convention 
767 \begin_inset Formula $\ush lm\left(\uvec K\right)=0$
768 \end_inset
770  for 
771 \begin_inset Formula $m\ne0$
772 \end_inset
774 , so
775 \begin_inset Formula 
777 \int\ud\Omega_{\vect r}\,G_{\Lambda}^{(1;\kappa)}\left(\vect s+\vect r\right)\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)=-\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)\frac{1}{2\pi\mathcal{A}}\sum_{\vect K\in\Lambda^{*}}e^{i\vect K\cdot\vect s}\sum_{l}4\pi i^{l}j_{l}\left(\left|\vect K\right|\left|\vect r\right|\right)\ushD l0\left(\uvec r\right)\ush l0\left(\uvec K\right)\int_{\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\eta^{2}}^{\infty\exp\left(i\pi/2\right)}e^{-\tau}e^{-\left(s_{\bot}^{2}+r_{\bot}^{2}+2s_{\bot}r_{\bot}\cos\left(\phi-\Phi\right)\right)^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\tau^{-1}\ud\tau
780 \end_inset
783 \end_layout
785 \begin_layout Plain Layout
786 Let's also fix the spherical harmonics for now, 
787 \begin_inset Formula 
789 \ushD lm\left(\uvec r\right)=\lambda'_{lm}e^{-im\phi}P_{l}^{-m}\left(\cos\theta\right)
792 \end_inset
795 \end_layout
797 \begin_layout Plain Layout
798 The angular integral (assuming it can be separated from the rest like this)
799  is
800 \begin_inset Formula 
802 I_{l'}^{m'}\equiv\int\ud\Omega_{\vect r}\,\ushD{l'}{m'}\left(\uvec r\right)e^{-\left(r_{\bot}^{2}+2s_{\bot}r_{\bot}\cos\left(\phi-\Phi\right)\right)^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}
805 \end_inset
808 \end_layout
810 \begin_layout Plain Layout
811 Let's further extract the azimuthal part 
812 \begin_inset Formula $\left(w\equiv2r_{\bot}s_{\bot}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau\right)$
813 \end_inset
816 \begin_inset Formula 
818 e^{-im'\Phi}A_{l'}^{m'}\equiv\int_{0}^{2\pi}e^{-im'\phi}e^{-w\cos\left(\phi-\Phi\right)}\ud\phi=e^{-im'\Phi}\int_{0}^{2\pi}e^{-im'\varphi}e^{-w\cos\varphi}\ud\varphi
821 \end_inset
823 Using [DLMF 10.9.2], 
824 \begin_inset Formula $\int_{0}^{2\pi}e^{-im'\varphi}e^{-w\cos\varphi}\ud\varphi=\int_{0}^{2\pi}\cos\left(m'\varphi\right)e^{i(iw)\cos\varphi}=2\pi i^{m'}J_{m'}\left(iw\right)$
825 \end_inset
827  we have
828 \begin_inset Formula 
830 e^{-m'\Phi}A_{l'}^{m'}=2\pi i^{m'}J_{m'}\left(iw\right),
833 \end_inset
835 assuming that 
836 \begin_inset Formula $w$
837 \end_inset
839  is real (which does not necessarily have to be true!); numerical experiments
840  in Sage show that the result is valid also for complex 
841 \begin_inset Formula $w$
842 \end_inset
845 \begin_inset Note Note
846 status collapsed
848 \begin_layout Plain Layout
849 \begin_inset Formula 
850 \begin{align*}
851 A_{l}^{m} & =\int_{0}^{2\pi}e^{-im\varphi}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\cos\varphi\right)^{n}}{n!}\ud\varphi\\
852  & =\int_{0}^{2\pi}e^{-im\varphi}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\left(e^{i\varphi}+e^{-i\varphi}\right)^{n}\ud\varphi\\
853  & =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\int_{0}^{2\pi}e^{-im\varphi}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}e^{ik\varphi}e^{-i\left(n-k\right)\varphi}\ud\varphi\\
854  & =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\int_{0}^{2\pi}e^{i\left(2k-n-m\right)\varphi}\ud\varphi\\
855  & =2\pi\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\delta_{2k-n-m=0}\\
856  & =2\pi\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\delta_{2k-n-m=0}\\
857  & =2\pi\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{n=k}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\binom{n}{k}\delta_{2k-n-m=0}\\
858  & =2\pi\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{2k-m}}{2^{2k-m}\left(2k-m\right)!}\binom{2k-m}{k}\delta_{2k-m\ge k}\\
859  & =2\pi\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{2k-m}}{2^{2k-m}}\frac{1}{k!\left(k-m\right)!}\delta_{k-m\ge0}\\
860  & =2\pi\sum_{k=\max\left(m,0\right)}^{\infty}\left(-\frac{w}{2}\right)^{2k-m}\frac{1}{k!\left(k-m\right)!}
861 \end{align*}
863 \end_inset
866 \end_layout
868 \end_inset
871 \begin_inset Note Note
872 status collapsed
874 \begin_layout Plain Layout
875 \begin_inset Formula 
876 \begin{align*}
877 A_{l}^{m} & =\int_{0}^{2\pi}e^{-im\varphi}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\cos\varphi\right)^{n}}{n!}\ud\varphi\\
878  & =\int_{0}^{2\pi}e^{-im\varphi}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\left(e^{i\varphi}+e^{-i\varphi}\right)^{n}\ud\varphi\\
879  & =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\int_{0}^{2\pi}e^{-im\varphi}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}e^{i\left(n-k\right)\varphi}e^{-ik\varphi}\ud\varphi\\
880  & =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\int_{0}^{2\pi}e^{i\left(-2k+n-m\right)\varphi}\ud\varphi\\
881  & =2\pi\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\delta_{-2k+n-m=0}\\
882  & =2\pi\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\delta_{-2k+n-m=0}\\
883  & =2\pi\sum_{k=0}^{\infty}\sum_{n=k}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{n}}{2^{n}n!}\binom{n}{k}\delta_{-2k+n-m=0}\\
884  & =2\pi\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{2k+m}}{2^{2k+m}\left(2k+m\right)!}\binom{2k+m}{k}\delta_{2k+m\ge k}\\
885  & =2\pi\sum_{k=0}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{2k+m}}{2^{2k+m}}\frac{1}{k!\left(k+m\right)!}\delta_{k+m\ge0}\\
886  & =2\pi\sum_{k=\max\left(-m,0\right)}^{\infty}\frac{\left(-w\right)^{2k+m}}{2^{2k+m}}\frac{1}{k!\left(k+m\right)!}
887 \end{align*}
889 \end_inset
892 \end_layout
894 \end_inset
896 Althought it's not superobvious, this sum is symmetric w.r.t.
897  sign change in 
898 \begin_inset Formula $m$
899 \end_inset
902 \end_layout
904 \begin_layout Plain Layout
905 Let's do the polar integration next: 
906 \begin_inset Formula $r_{\bot}=r\sin\theta$
907 \end_inset
910 \begin_inset Formula 
912 B_{l'}^{m'}\equiv\int_{0}^{\pi}\sin\theta\ud\theta\,P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)e^{-\left(\sin\theta\right)^{2}r^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau}\left(-\sin\theta\,rs_{\bot}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau\right)^{2k-m'}
915 \end_inset
917 Label 
918 \begin_inset Formula $u\equiv r^{2}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau,v\equiv rs_{\bot}\kappa^{2}\gamma_{\vect K}^{2}/4\tau$
919 \end_inset
921 ; then 
922 \begin_inset Formula 
923 \begin{align*}
924 B_{l'}^{m'} & =\int_{0}^{\pi}\sin\theta\ud\theta\,P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)e^{-u\left(\sin\theta\right)^{2}}\left(-v\sin\theta\right)^{2k-m'}\\
925  & =\int_{0}^{\pi}\sin\theta\ud\theta\,P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)\left(-v\sin\theta\right)^{2k-m'}\sum_{a=0}^{\infty}\frac{\left(-u\right)^{a}}{a!}\left(\sin\theta\right)^{2a}\\
926  & =\left(-v\right)^{2k-m'}\sum_{a=0}^{\infty}\frac{\left(-u\right)^{a}}{a!}\int_{0}^{\pi}\sin\theta\ud\theta\,P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)\left(\sin\theta\right)^{2a+2k-m'}
927 \end{align*}
929 \end_inset
931 If we now perform the limit 
932 \begin_inset Formula $r\to0$
933 \end_inset
935  and compare the radial parts (incl.
936  those in 
937 \begin_inset Formula $u,v$
938 \end_inset
940 ) powers, the leading term indices will have
941 \begin_inset Formula 
943 l'\sim l+2a+2k-m'
946 \end_inset
948 so we can fix 
949 \begin_inset Formula $2a+2k-m'=l'-l$
950 \end_inset
952  and get 
953 \begin_inset Formula 
955 \int_{0}^{\pi}\sin\theta\ud\theta\,P_{l'}^{-m'}\left(\cos\theta\right)P_{l}^{0}\left(\cos\theta\right)\left(\sin\theta\right)^{l'-l}=\begin{cases}
956 0 & l'-l+m'\text{ odd}\\
957 ? & l'-l+m'\text{ even}
958 \end{cases}
961 \end_inset
964 \end_layout
966 \end_inset
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